2 – LA THERMODYNAMIQUE ET LA THÉORIE DES VITESSES ABSOLUES
53
L’enthalpie et l’entropie d’activation d’une réaction chimique fournissent une
information précise sur la nature de l’état de transition et donc sur le mécanisme de
réaction. Une enthalpie d’activation élevée indique une augmentation de la tension
ou la rupture d’une liaison chimique, qui est nécessaire pour la formation de l’état
de transition. Si DS
est fortement négatif, la formation de l’état de transition
nécessite que les molécules réactives adoptent des conformations précises et
s’approchent les unes des autres avec un angle précis. Comme les molécules
varient dans leur stabilité conformationnelle, c’est-à-dire dans leur rigidité, et dans
leur complexité, on pourrait s’attendre à ce que les valeurs de DS varient beaucoup entre diverses réactions, ce qui est le cas. Les molécules qui sont importantes
dans les processus métaboliques sont nombreuses et flexibles, impliquant que des
réactions non catalysées entre les mêmes molécules sont fortement improbables.
2.5.5. Les enzymes stabilisent l’état de transition de la réaction
En plus de fournir une explication à la dépendance de la vitesse de la réaction sur la
température, l’équation [2.80] fournit également un moyen de mesurer l’efficacité
catalytique des enzymes. L’effet de tout catalyseur, y compris celui des enzymes,
est d’accélérer les réactions en augmentant les constantes de vitesse, sans affecter
l’équilibre global de la réaction. Le paramètre qui varie est K
ou la variation
d’énergie de GIBBS associée, DG
. L’existence d’interactions spécifiques entre les
substrats et les groupes du centre catalytique de réaction (site actif des enzymes),
facilite la formation de l’état de transition (« stabilisation » de l’état de transition)
et le DG
diminue d’une quantité DDG
. Si DG
est la variation d’énergie de
GIBBS d’activation en absence d’enzyme, la variation d’énergie de GIBBS en
présence d’enzyme est donnée par : DG
– DDG
. Cette diminution de l’énergie de
GIBBS d’activation se traduit par une variation dans l’expression de la constante de
vitesse, dans laquelle il devient possible de définir un facteur d’accélération :
k
kT
h
kT
h
kf
B
GG
RT
B
G
RT
G
RT
cat
non cat acc
ee
e
==
=
−−
−
() DD D
DD D
[2.84]
où le facteur d’accélération donné par e
DDG
RT
peut atteindre une valeur de 10
14
.
Parce que le DDG
est identique dans les deux sens de la réaction, le même facteur
d’accélération s’applique dans les deux sens de la réaction. Le catalyseur augmente
donc la vitesse dans les deux sens mais ne modifie pas la position de l’équilibre
entre les substrats et les produits.
Ce principe fondamental de la catalyse enzymatique a été proposé par HALDANE en
1930 et développé par PAULING en 1946 : les enzymes catalysent les réactions
chimiques en stabilisant spécifiquement l’état de transition de la réaction. Pour
catalyser une réaction, un enzyme doit être complémentaire de l’état de transition
de la réaction. Cela signifie que les interactions entre le substrat et l’enzyme
53
L’enthalpie et l’entropie d’activation d’une réaction chimique fournissent une
information précise sur la nature de l’état de transition et donc sur le mécanisme de
réaction. Une enthalpie d’activation élevée indique une augmentation de la tension
ou la rupture d’une liaison chimique, qui est nécessaire pour la formation de l’état
de transition. Si DS
est fortement négatif, la formation de l’état de transition
nécessite que les molécules réactives adoptent des conformations précises et
s’approchent les unes des autres avec un angle précis. Comme les molécules
varient dans leur stabilité conformationnelle, c’est-à-dire dans leur rigidité, et dans
leur complexité, on pourrait s’attendre à ce que les valeurs de DS varient beaucoup entre diverses réactions, ce qui est le cas. Les molécules qui sont importantes
dans les processus métaboliques sont nombreuses et flexibles, impliquant que des
réactions non catalysées entre les mêmes molécules sont fortement improbables.
2.5.5. Les enzymes stabilisent l’état de transition de la réaction
En plus de fournir une explication à la dépendance de la vitesse de la réaction sur la
température, l’équation [2.80] fournit également un moyen de mesurer l’efficacité
catalytique des enzymes. L’effet de tout catalyseur, y compris celui des enzymes,
est d’accélérer les réactions en augmentant les constantes de vitesse, sans affecter
l’équilibre global de la réaction. Le paramètre qui varie est K
ou la variation
d’énergie de GIBBS associée, DG
. L’existence d’interactions spécifiques entre les
substrats et les groupes du centre catalytique de réaction (site actif des enzymes),
facilite la formation de l’état de transition (« stabilisation » de l’état de transition)
et le DG
diminue d’une quantité DDG
. Si DG
est la variation d’énergie de
GIBBS d’activation en absence d’enzyme, la variation d’énergie de GIBBS en
présence d’enzyme est donnée par : DG
– DDG
. Cette diminution de l’énergie de
GIBBS d’activation se traduit par une variation dans l’expression de la constante de
vitesse, dans laquelle il devient possible de définir un facteur d’accélération :
k
kT
h
kT
h
kf
B
GG
RT
B
G
RT
G
RT
cat
non cat acc
ee
e
==
=
−−
−
() DD D
DD D
[2.84]
où le facteur d’accélération donné par e
DDG
RT
peut atteindre une valeur de 10
14
.
Parce que le DDG
est identique dans les deux sens de la réaction, le même facteur
d’accélération s’applique dans les deux sens de la réaction. Le catalyseur augmente
donc la vitesse dans les deux sens mais ne modifie pas la position de l’équilibre
entre les substrats et les produits.
Ce principe fondamental de la catalyse enzymatique a été proposé par HALDANE en
1930 et développé par PAULING en 1946 : les enzymes catalysent les réactions
chimiques en stabilisant spécifiquement l’état de transition de la réaction. Pour
catalyser une réaction, un enzyme doit être complémentaire de l’état de transition
de la réaction. Cela signifie que les interactions entre le substrat et l’enzyme