B2 · Enzymologie

Inhibitions enzymatiques réversibles et irréversibles

Distinguer inhibitions compétitive, non compétitive et incompétitive par leur effet sur Km et Vmax, graphiquement et algébriquement. Décrire l'inhibition irréversible et son intérêt pharmacologique.

Biochimie structurale et métabolique6 min de lecture15 QCM corrigés

Principes généraux de l’inhibition enzymatique

La cinétique michaélienne, notamment la signification de $K_m$ , de $V_{\max}$ et de la représentation en double inverse, est établie dans la fiche précédente. Ici, l’enzyme $E$ transforme le substrat $S$ en produit, tandis que l’inhibiteur $I$ diminue la vitesse de cette transformation.

Une inhibition est réversible lorsque l’inhibiteur se lie par des interactions non covalentes et peut se dissocier de sa cible. L’activité enzymatique peut alors être restaurée en diminuant suffisamment la concentration d’inhibiteur, notamment par dilution ou élimination de celui-ci.

La conséquence cinétique dépend de la forme enzymatique reconnue par l’inhibiteur :

fixation sur l’enzyme libre $E$ : inhibition compétitive ;
fixation sur le complexe enzyme-substrat $ES$ : inhibition incompétitive ;
fixation avec la même affinité sur $E$ et $ES$ : inhibition non compétitive pure.

Expression algébrique générale

L’effet d’un inhibiteur réversible peut être décrit par deux facteurs sans dimension. Le facteur $\alpha$ traduit la fixation de l’inhibiteur sur l’enzyme libre, tandis que $\alpha'$ traduit sa fixation sur le complexe enzyme-substrat.

En présence d’inhibiteur, l’équation de Michaelis-Menten devient :

Cette expression permet d’identifier les paramètres apparents mesurés en présence d’inhibiteur :

V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{V_{\max}}{\alpha'} \qquad \text{et} \qquad K_m^{\mathrm{app}} = \frac{\alpha}{\alpha'}K_m

Ainsi, la fixation sur $ES$ diminue la vitesse maximale apparente, tandis que le rapport entre les fixations sur $E$ et sur $ES$ détermine la variation de $K_m$ apparent.

Exemple

Calcul des paramètres apparents en présence d’un inhibiteur réversible

Pour une enzyme dont $V_{\max} = \pu{120 \mu mol.min^{-1}}$ et $K_m = \pu{10 \mu mol.L^{-1}}$ , un inhibiteur est ajouté à la concentration $[I] = \pu{6 \mu mol.L^{-1}}$ .

Ses constantes sont $K_i = \pu{2 \mu mol.L^{-1}}$ pour l’enzyme libre et $K_i' = \pu{6 \mu mol.L^{-1}}$ pour le complexe $ES$ .

Facteur de fixation sur l’enzyme libre : $\alpha = 1 + \frac{6}{2} = 4$ .
Facteur de fixation sur le complexe $ES$ : $\alpha' = 1 + \frac{6}{6} = 2$ .
Vitesse maximale apparente : $V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{120}{2} = \pu{60 \mu mol.min^{-1}}$ .
Constante de Michaelis apparente : $K_m^{\mathrm{app}} = \frac{4}{2} \times 10 = \pu{20 \mu mol.L^{-1}}$ .

La fixation de l’inhibiteur est ici plus marquée sur l’enzyme libre que sur le complexe $ES$ . La vitesse maximale est diminuée de moitié et il faut une concentration en substrat deux fois plus élevée pour atteindre la moitié de cette nouvelle vitesse maximale.

Inhibition compétitive

L’inhibiteur et le substrat utilisent des sites mutuellement exclusifs, souvent parce qu’ils reconnaissent une même région du site actif. L’inhibiteur diminue donc la proportion d’enzyme disponible pour fixer le substrat.

Dans ce cas, $\alpha$ est supérieur à $1$ et $\alpha' = 1$ :

v = \frac{V_{\max}[S]}{\alpha K_m + [S]}

Le $K_m$ apparent augmente selon $K_m^{\mathrm{app}} = \alpha K_m$ . Il faut donc davantage de substrat pour atteindre une même fraction de la vitesse maximale. En revanche, $V_{\max}$ reste inchangé : lorsque la concentration en substrat devient très élevée, le substrat occupe presque toute l’enzyme disponible malgré la présence de l’inhibiteur.

Représentation en double inverse

La transformation de Lineweaver-Burk donne :

\frac{1}{v} = \frac{\alpha K_m}{V_{\max}}\frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\max}}

Quand la concentration d’inhibiteur augmente :

la pente augmente ;
l’ordonnée à l’origine $1/V_{\max}$ reste constante ;
l’abscisse à l’origine, égale à $-1/K_m^{\mathrm{app}}$ , se rapproche de zéro.

Inhibition incompétitive

La fixation préalable du substrat rend donc accessible le site reconnu par l’inhibiteur. Celui-ci stabilise le complexe contenant le substrat sans permettre sa transformation normale en produit.

Dans ce cas, $\alpha = 1$ et $\alpha'$ est supérieur à $1$ :

v = \frac{V_{\max}[S]}{K_m + \alpha'[S]}

Les deux paramètres diminuent dans la même proportion :

V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{V_{\max}}{\alpha'} \qquad \text{et} \qquad K_m^{\mathrm{app}} = \frac{K_m}{\alpha'}

La diminution de $V_{\max}$ résulte du piégeage d’une partie des complexes $ES$ . La diminution du $K_m$ apparent ne signifie pas que l’enzyme libre possède intrinsèquement une meilleure affinité pour le substrat : elle traduit la stabilisation de l’état lié $ES$ par l’inhibiteur.

Représentation en double inverse

\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{\max}}\frac{1}{[S]} + \frac{\alpha'}{V_{\max}}

La pente $K_m/V_{\max}$ reste constante. Les droites obtenues à différentes concentrations d’inhibiteur sont donc parallèles. L’ordonnée à l’origine augmente et l’abscisse à l’origine devient plus négative.

Inhibition non compétitive pure

La fixation du substrat et celle de l’inhibiteur ne sont pas mutuellement exclusives. L’inhibiteur n’altère donc pas l’équilibre apparent de fixation du substrat, mais empêche la catalyse d’une fraction de l’enzyme.

L’égalité des affinités impose $\alpha = \alpha'$ :

V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{V_{\max}}{\alpha} \qquad \text{et} \qquad K_m^{\mathrm{app}} = K_m

L’augmentation de la concentration en substrat ne restaure pas la vitesse maximale, car l’inhibiteur peut rester fixé même lorsque le substrat occupe l’enzyme.

Dans la représentation de Lineweaver-Burk :

l’ordonnée à l’origine augmente car $V_{\max}^{\mathrm{app}}$ diminue ;
la pente augmente ;
l’abscisse à l’origine reste égale à $-1/K_m$ .

Comparaison

Effets des inhibitions réversibles

Critère	Compétitive	Non compétitive pure	Incompétitive
Forme reconnue	enzyme libre $E$	$E$ et $ES$ avec même affinité	complexe $ES$
$K_m^{\mathrm{app}}$	augmente	inchangé	diminue
$V_{\max}^{\mathrm{app}}$	inchangée	diminue	diminue
Double inverse	même ordonnée à l’origine	même abscisse à l’origine	droites parallèles
Excès de substrat	effet surmontable	effet non surmontable	effet non surmontable

Inhibition irréversible

L’inhibiteur irréversible retire progressivement des molécules d’enzyme de l’ensemble des enzymes actives. Si les molécules restantes conservent leurs propriétés normales, leur $K_m$ reste inchangé, mais la diminution de la concentration d’enzyme active réduit $V_{\max}$ .

Contrairement à une inhibition réversible, l’activité ne revient pas après dilution, élimination de l’inhibiteur ou ajout d’un excès de substrat. La récupération dépend alors de la synthèse de nouvelles molécules enzymatiques.

Certains inhibiteurs irréversibles sont initialement reconnus comme des substrats. L’enzyme transforme alors l’inhibiteur en un intermédiaire réactif qui l’inactive définitivement : on parle d’inhibiteur mécanisme-dépendant.

Intérêt pharmacologique

Une inhibition irréversible permet un effet prolongé, parfois bien au-delà de la présence de la molécule inhibitrice dans l’organisme. La durée de l’effet dépend principalement de la vitesse de renouvellement de l’enzyme ciblée.

Cette persistance constitue aussi un risque : une fixation insuffisamment sélective peut inactiver durablement d’autres protéines et provoquer une toxicité prolongée. L’intérêt pharmacologique repose donc sur la combinaison d’une forte sélectivité moléculaire, d’une dose maîtrisée et d’un renouvellement prévisible de la cible.

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Principes généraux de l’inhibition enzymatique

La conséquence cinétique dépend de la forme enzymatique reconnue par l’inhibiteur :

fixation sur l’enzyme libre $E$ : inhibition compétitive ;
fixation sur le complexe enzyme-substrat $ES$ : inhibition incompétitive ;
fixation avec la même affinité sur $E$ et $ES$ : inhibition non compétitive pure.

Expression algébrique générale

En présence d’inhibiteur, l’équation de Michaelis-Menten devient :

Cette expression permet d’identifier les paramètres apparents mesurés en présence d’inhibiteur :

V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{V_{\max}}{\alpha'} \qquad \text{et} \qquad K_m^{\mathrm{app}} = \frac{\alpha}{\alpha'}K_m

Ainsi, la fixation sur $ES$ diminue la vitesse maximale apparente, tandis que le rapport entre les fixations sur $E$ et sur $ES$ détermine la variation de $K_m$ apparent.

Exemple

Calcul des paramètres apparents en présence d’un inhibiteur réversible

Pour une enzyme dont $V_{\max} = \pu{120 \mu mol.min^{-1}}$ et $K_m = \pu{10 \mu mol.L^{-1}}$ , un inhibiteur est ajouté à la concentration $[I] = \pu{6 \mu mol.L^{-1}}$ .

Ses constantes sont $K_i = \pu{2 \mu mol.L^{-1}}$ pour l’enzyme libre et $K_i' = \pu{6 \mu mol.L^{-1}}$ pour le complexe $ES$ .

Facteur de fixation sur l’enzyme libre : $\alpha = 1 + \frac{6}{2} = 4$ .
Facteur de fixation sur le complexe $ES$ : $\alpha' = 1 + \frac{6}{6} = 2$ .
Vitesse maximale apparente : $V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{120}{2} = \pu{60 \mu mol.min^{-1}}$ .
Constante de Michaelis apparente : $K_m^{\mathrm{app}} = \frac{4}{2} \times 10 = \pu{20 \mu mol.L^{-1}}$ .

Inhibition compétitive

Dans ce cas, $\alpha$ est supérieur à $1$ et $\alpha' = 1$ :

v = \frac{V_{\max}[S]}{\alpha K_m + [S]}

Représentation en double inverse

La transformation de Lineweaver-Burk donne :

\frac{1}{v} = \frac{\alpha K_m}{V_{\max}}\frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\max}}

Quand la concentration d’inhibiteur augmente :

la pente augmente ;
l’ordonnée à l’origine $1/V_{\max}$ reste constante ;
l’abscisse à l’origine, égale à $-1/K_m^{\mathrm{app}}$ , se rapproche de zéro.

Inhibition incompétitive

La fixation préalable du substrat rend donc accessible le site reconnu par l’inhibiteur. Celui-ci stabilise le complexe contenant le substrat sans permettre sa transformation normale en produit.

Dans ce cas, $\alpha = 1$ et $\alpha'$ est supérieur à $1$ :

v = \frac{V_{\max}[S]}{K_m + \alpha'[S]}

Les deux paramètres diminuent dans la même proportion :

V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{V_{\max}}{\alpha'} \qquad \text{et} \qquad K_m^{\mathrm{app}} = \frac{K_m}{\alpha'}

Représentation en double inverse

\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{\max}}\frac{1}{[S]} + \frac{\alpha'}{V_{\max}}

Inhibition non compétitive pure

L’égalité des affinités impose $\alpha = \alpha'$ :

V_{\max}^{\mathrm{app}} = \frac{V_{\max}}{\alpha} \qquad \text{et} \qquad K_m^{\mathrm{app}} = K_m

L’augmentation de la concentration en substrat ne restaure pas la vitesse maximale, car l’inhibiteur peut rester fixé même lorsque le substrat occupe l’enzyme.

Dans la représentation de Lineweaver-Burk :

l’ordonnée à l’origine augmente car $V_{\max}^{\mathrm{app}}$ diminue ;
la pente augmente ;
l’abscisse à l’origine reste égale à $-1/K_m$ .

Comparaison

Effets des inhibitions réversibles

Critère	Compétitive	Non compétitive pure	Incompétitive
Forme reconnue	enzyme libre $E$	$E$ et $ES$ avec même affinité	complexe $ES$
$K_m^{\mathrm{app}}$	augmente	inchangé	diminue
$V_{\max}^{\mathrm{app}}$	inchangée	diminue	diminue
Double inverse	même ordonnée à l’origine	même abscisse à l’origine	droites parallèles
Excès de substrat	effet surmontable	effet non surmontable	effet non surmontable

Inhibition irréversible

Intérêt pharmacologique

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