Enzymologie moléculaire - Catalyse enzymatique

Les enzymes sont des catalyseurs biochimiques présentant des analogies avec les catalyseurs chimiques.

Une enzyme est l’accélérateur d’une réaction chimique précise à une température et à un pH donnés. Le facteur accélérateur est généralement compris entre 10⁵ et 10⁸. La réaction enzymatique est spécifique et son action se déroule à faible concentration sans qu’il s’ensuive une dénaturation. L’équilibre de la réaction n’est pas modifié et il est atteint rapidement en corrélation avec le facteur accélérateur précédemment abordé. Ces traits caractéristiques rendent ces macromolécules indispensables au métabolisme cellulaire et à sa régulation.

L’enzyme diffère d’un catalyseur chimique par sa nature protéique qui la rend sensible aux conditions physicochimiques non compatibles avec les milieux retrouvés chez les êtres vivants. Elle est aussi active à faible concentration, ce qui peut engendrer sa saturation par les réactifs qu’elle doit transformer.

Cet aspect catalytique de l’enzymologie est particulièrement intéressant lors de l’utilisation de réacteurs enzymatiques où une enzyme est immobilisée sur un support solide afin de réaliser à grande échelle, voire très grande échelle, une réaction chimique spécifique. Les données de la cinétique enzymatique, des flux de substrats, de produits et d’autres molécules nécessaires à la réaction au sein des réacteurs sont autant de paramètres à étudier avec précision. Parmi les réacteurs, peuvent être cités ceux qui permettent d’effectuer des réactions chimiques, des préparations pour l’industrie pharmaceutique, pour la cosmétologie et des préparations agroalimentaires. Plus récemment, ces applications se déroulent à l’aide de réacteurs enzymatiques à membrane. L’enzyme est liée à la surface membranaire ou située dans les pores de cette dernière. La réaction s’effectue quand le substrat traverse la membrane.

Connaître la structure et le fonctionnement d’une enzyme permet d’exploiter ce catalyseur biologique dans les meilleures conditions en vue d’optimiser son utilisation dans différents domaines industriels. De nombreux catalyseurs (glycosidases, protéases, lipases…) sont étudiés et utilisés dans des réacteurs afin de produire des molécules variées à haute valeur ajoutée. Par exemple, le marché de la production d’arômes représente plusieurs milliards d’euros par an. Il dépend d’enzymes fonctionnant au sein de levures, de bactéries ou de cellules végétales dans des fermenteurs (synthèse de lactones…) ou d’enzymes purifiées immobilisées ou non dans des réacteurs (synthèse d’hexanal, hexénal, esters d’acide gras…). De plus, dans l’industrie pharmaceutique, les enzymes permettent d’accéder à des intermédiaires et/ou à des médicaments chiraux en une étape, offrant un gain économique et écologique non négligeable par rapport à leur accès nécessitant des synthèses multi-étapes.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.