HYDROLASES: STRUCTURE, FONCTIONS, EXEMPLES - LA BIOLOGIE - 2025

Les hydrolases sont des enzymes responsables de l'hydrolyse de divers types de liaisons chimiques dans de nombreux composés différents. Parmi les principales liaisons qui hydrolysent, on trouve les liaisons ester, glycosidique et peptide.

Dans le groupe des hydrolases, plus de 200 enzymes différentes ont été classées, regroupées en au moins 13 ensembles individuels; leur classification est essentiellement basée sur le type de composé chimique qui leur sert de substrat.

Modélisation graphique avec des outils bioinformatiques de la structure d'une hydrolase (Source: Jawahar Swaminathan et personnel MSD de l'Institut Européen de Bioinformatique via Wikimedia Commons)

Les hydrolases sont essentielles à la digestion des aliments dans les intestins des animaux, car elles sont responsables de la dégradation d'une grande partie des liaisons qui composent les structures carbonatées des aliments qu'ils consomment.

Ces enzymes fonctionnent dans des milieux aqueux, car elles ont besoin de molécules d'eau autour d'elles pour s'ajouter aux composés une fois que les molécules sont clivées. En termes simples, les hydrolases effectuent une catalyse hydrolytique des composés sur lesquels elles agissent.

Par exemple, lorsqu'une hydrolase rompt une liaison covalente CC, le résultat est généralement un groupe C-OH et un groupe CH.

Structure

Comme de nombreuses enzymes, les hydrolases sont des protéines globulaires organisées en structures complexes qui s'organisent par des interactions intramoléculaires.

Les hydrolases, comme toutes les enzymes, se lient à une ou plusieurs molécules de substrat dans une région de leur structure connue sous le nom de «site actif». Ce site est une poche ou une fente entourée de nombreux résidus d'acides aminés qui facilitent la préhension ou la fixation du substrat.

Chaque type d'hydrolase est spécifique d'un substrat donné, qui est déterminé par sa structure tertiaire et par la conformation des acides aminés qui composent son site actif. Cette spécificité a été soulevée de manière didactique par Emil Fischer comme une sorte de «serrure et clé».

On sait maintenant que le substrat, en général, induit des changements ou des distorsions dans la conformation des enzymes et que les enzymes, à leur tour, déforment la structure du substrat pour le faire "rentrer" dans son site actif.

Caractéristiques

Toutes les hydrolases ont pour fonction principale de rompre les liaisons chimiques entre deux composés ou au sein de la structure d'une même molécule.

Il existe des hydrolases permettant de rompre presque tout type de liaison: certaines dégradent les liaisons esters entre les glucides, d'autres les liaisons peptidiques entre les acides aminés des protéines, d'autres les liaisons carboxyliques, etc.

Le but de l'hydrolyse des liaisons chimiques catalysées par une enzyme hydrolase varie considérablement. Le lysozyme, par exemple, est responsable de l'hydrolyse des liaisons chimiques dans le but de protéger l'organisme qui le synthétise.

Cette enzyme décompose les liaisons qui maintiennent les composés ensemble dans la paroi cellulaire bactérienne, afin de protéger le corps humain de la prolifération bactérienne et d'une éventuelle infection.

Les nucléases sont des enzymes «phosphatases» qui ont la capacité de dégrader les acides nucléiques, qui peuvent également représenter un mécanisme de défense cellulaire contre les virus à ADN ou à ARN.

D'autres hydrolases, telles que celles de type «sérine protéases», dégradent les liaisons peptidiques des protéines du tube digestif pour rendre les acides aminés assimilables dans l'épithélium gastro-intestinal.

Les hydrolases sont même impliquées dans divers événements de production d'énergie dans le métabolisme cellulaire, car les phosphatases catalysent la libération de molécules de phosphate à partir de substrats à haute énergie tels que le pyruvate, lors de la glycolyse.

Exemples d'hydrolases

Parmi la grande diversité d'hydrolases que les scientifiques ont identifiées, certaines ont été étudiées avec plus d'emphase que d'autres, car elles sont impliquées dans de nombreux processus essentiels à la vie cellulaire.

Ceux-ci comprennent le lysozyme, les sérine protéases, les phosphatases de type endonucléase et les glucosidases ou glycosylases.

Lysozyme

Les enzymes de ce type décomposent les couches de peptidoglycane de la paroi cellulaire des bactéries à Gram positif. Cela finit généralement par provoquer une lyse totale des bactéries.

Les lysozymes défendent le corps des animaux contre les infections bactériennes et sont abondants dans les sécrétions corporelles des tissus en contact avec l'environnement, tels que les larmes, la salive et le mucus.

Le lysozyme d'oeuf de poule a été la première structure protéique à être cristallisée par rayons X. Cette cristallisation a été réalisée par David Phillips, en 1965, au Royal Institute de Londres.

Le site actif de cette enzyme est composé du peptide Asparagine-Alanine-Méthionine-Asparagine-Alanine-Glycine-Asparagine-Alanine-Méthionine (NAM-NAG-NAM).

Sérine protéases

Les enzymes de ce groupe sont responsables de l'hydrolyse des liaisons peptidiques dans les peptides et les protéines. Les plus couramment étudiés sont la trypsine et la chymotrypsine; cependant, il existe de nombreux types différents de sérine protéases, qui varient en ce qui concerne la spécificité du substrat et leur mécanisme de catalyse.

Les "sérine protéases" sont caractérisées en ce qu'elles ont un acide aminé nucléophile de type sérine dans leur site actif, qui fonctionne dans la rupture de la liaison peptidique entre les acides aminés. Les sérine protéases sont également capables de rompre une grande variété de liaisons esters.

Schéma graphique de l'action d'une sérine protéase rompant une liaison peptidique dans l'acide aminé histidine (Source: Zephyris sur Wikipedia en anglais via Wikimedia Commons)

Ces enzymes coupent les peptides et les protéines de manière non spécifique. Cependant, tous les peptides et protéines à couper doivent être attachés à l'extrémité N-terminale de la liaison peptidique au site actif de l'enzyme.

Chaque sérine protéase coupe précisément la liaison amide qui se forme entre l'extrémité C-terminale de l'acide aminé à l'extrémité carboxyle et l'amine d'acide aminé qui se trouve vers l'extrémité N-terminale du peptide.

Phosphatases de type nucléase

Ces enzymes catalysent le clivage des liaisons phosphodiester des sucres et des phosphates des bases azotées qui composent les nucléotides. Il existe de nombreux types différents de ces enzymes, car ils sont spécifiques du type d'acide nucléique et du site de clivage.

Schéma graphique de l'action d'une endonucléase hydrolysant une liaison phosphodiester (Source: J3D3 Via Wikimedia Commons)

Les endonucléases sont indispensables dans le domaine de la biotechnologie, car elles permettent aux scientifiques de modifier les génomes d'organismes en coupant et en remplaçant des fragments de l'information génétique de presque toutes les cellules.

Les endonucléases effectuent le clivage des bases azotées en trois étapes. Le premier est à travers un acide aminé nucléophile, puis une structure intermédiaire avec une charge négative est formée qui attire le groupe phosphate et rompt finalement la liaison entre les deux bases.

Références

1. Davies, G. et Henrissat, B. (1995). Structures et mécanismes des glycosyl hydrolases. Structure, 3 (9), 853-859.
2. Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM et Cox, MM (2005). Principes de Lehninger de la biochimie. Macmillan.
3. Mathews, AP (1936). Principes de biochimie. W. Wood.
4. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P. et Rodwell, V. (2009). La biochimie illustrée de Harper. 28 (p. 588). New York: McGraw-Hill.
5. Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… et Sussman, JL (1992). Le pli α / β hydrolase. Ingénierie, conception et sélection des protéines, 5 (3), 197-211.