Modèles cinétiques d'activation des enzymes en fonction du pH : concept de familles de protons : le modèle tétard de la saccharase intestinale

Kinetic models of pH-dependent enzyme activation : concept on proton families : the tetard model of intestine saccharase

• Auteur / Autrice : Monique Vasseur
• Direction : Directeur de thèse inconnu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences naturelles
• Date : Soutenance en 1985
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protons

Métaux alcalins

Bêta-fructofuranosidase

Mots clés libres

Modèles cinétiques

Itérations

Analyse de régression non linéaire

Activation

Inhibition

Résumé

La corrélation étroite entre l'activation de la saccharase intestinale de lapin (sucrose α-D-glucohydrolase, EC. 3. 2. 1. 48) par le Na⁺ et l'activation par déprotonation de l'enzyme dans la zone de pH 4. 8 à 7. 2 a conduit à la formulation d'un modèle cinétique, le Modèle II ( Vasseur, 1982). Ce modèle fait le lien entre le modèle allostérique, indépendant du pH, le Modèle I (Alvarado, 1974), et les modèles classiques, dépendants du pH, de Michaelis, Alberty, Dixon ou Cleland, excepté que l'activation de la saccharase, au-dessous de pH 7, est liée à la perte simultanée de deux protons clés (pK₁ = 5. 7). Le modèle II, édifié essentiellement sur la base des modèles classiques, s'est révélé insuffisant pour expliquer l'effet antagoniste du Na⁺ (ou du substrat) avec lin seul des deux protons clés, un proton, Hₓ, se comportant comme un inhibiteur compétitif. L'autre proton, Hy, est responsable de l'activité catalytique. Nous proposons que les deux protons impliqués dans pK₁ jouent un rôle fonctionnel distinct et appartiennent à deux familles différentes: la famille K et la famille V, responsables respectivement des effets sur l’affinité et sur la capacité. Si Hₓ se fixe ou non, l'enzyme oscille entre deux formes ayant des propriétés de liaison différentes vis à vis des deux coactivateurs allostériques. L'effet des métaux alcalins, Li⁺ et Na⁺, consiste à déplacer cet équilibre. A faibles concentrations, ils facilitent la déprotonation de l'enzyme, donnant une activation de type K. Au contraire, à fortes concentrations, ils favorisent la reprolonation de l'enzyme causant une inhibition compétitive pure. Aussi, pour expliquer les mécanismes moléculaires d'activation et/ou d'inhibition de la saccharase par les métaux alcalins dans la zone de pH 4. 8 à 8. 8, nous proposons un modèle cinétique complet, le Modèle TETARD, qui considère la fonction et le nombre (3) des protons clés de l'enzyme. Contrairement aux concepts classiques d'activation des enzymes en fonction du pH, le modèle' têtard inclut la participation simultanée des deux familles de protons, V et K, dans la même réaction d'ionisation. Afin de généraliser, nous proposons que chaque famille de protons puisse contenir un ou plusieurs protons liés fonctionnellement qui sont perdus (ou gagnés) comme un seul bloc. Puisque, en principe, une enzyme possède deux pK caractéristiques et que chacun de ces pK peut contenir un maximum de deux familles de protons, nous obtenons un modèle à quatre familles de protons, le Modèle PAPILLON, qui peut servir de base à la construction de la plupart des modèles enzymatiques. Ce modèle peut générer des modèles-fils, le plus simple étant celui décrit par Michaelis et Davidsohn où seulement 2 familles de protons sont visibles au 11eu des 4 théoriquement possibles. Nous décrivons une méthode mathématique générale capable de donner directement l'équation globale décrivant pratiquement tous les modèles enzymatiques; cette équation est, de plus, directement adaptable pour le traitement global des résultats par ordinateur.

The close relationship between sodium-dependent activation of rabbit intestinal sucrase (sucrose α-D-glucohydrolase, EC. 3. 2. 1. 48 ) and activation by enzyme deprotonation in the pH range 4. 8 to 7. 2 led us to build a kinetic model, Model II (Vasseur, 1982), derived in turn from an earlier pH-independent allosteric model, Model (Alvarado, 1974). Ln principle, Model II resembles the one first proposed by Alberty for anion and H⁺-dependent enzyme activation, except that formation of the active species involves loss of two protons rather than one ( pK₁ = 5. 7). Model Il, essentially based on classical models of Michaelis, Dixon or Cleland, does not explain fully the peculiar antagonistic relationship between Na⁺ (or the substrate) and one single key proton, Hₓ, which behaves as a fully competitive inhibitor. The second proton, Hy, is responsible for changes in enzyme catalytic activity. We postulate, therefore, that the two protons involved in pK₁ are functionally distinguishable and belong to two different families: the K family and the V family, responsible for affinity and capacity-type effects, respectively. Depending on whether Hₓ is bound or not, the enzyme alternates between two distinct forms exhibiting quite different binding properties. The alkali-metal ions Na⁺ and Li⁺ have a concentration-dependent dual effect on this equilibrium. At low concentrations, they facilitate the release of Hₓ, resulting in K-type activation. On the contrary, at higher concentrations they favor enzyme reprotonation, causing K-type (fully competitive) inhibition. To explain the molecular mechanisms underlying the complex activatory and inhibitory effects of the alkali-metal ions in the pH range 4. 8 to 8. 8, we propose a complete sucrase model, the Tetard (Tadpole) , which considers both the function and the number (three) of key protons participating. In contrast to classical concepts on pH-dependent enzyme activation, the Tetard model considers the participation of two proton families, V and K, in the same ionization reaction. Generalizing, we propose that a proton family consists of one or several protons that perform the same kinetic function and are either gained or lost as a bloc. Because all enzymes exhibit in principle two characteristic pK values, and since each of these pK values may involve a maximum of two proton families, we obtain, as a result, a four-proton-families general model, the Papillon (Butterfly), which should be able to explain any enzyme mechanism. By introducing appropriate simplifications, this model can generate any of a series of better known models, the simplest one of which is the classical Michaelis- Davidsohn one, where only two proton families are experimentally demonstrable instead of the theoretical four. We also describe a general mathematical treatment capable of yielding directly the global equation describing practically any enzyme, an equation which, furthermore, is readily adaptable for computer analysis.