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Cinétique de Michaelis-Menten : vitesse, Km et inhibiteurs

Calculez la vitesse d'une réaction enzymatique à partir de Vmax, Km et de la concentration en substrat, avec l'effet d'un inhibiteur compétitif, non compétitif ou incompétitif.

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Résultats

Vitesse de réaction v

71,43

Vitesse en part de Vmax (sans inhibiteur)

71,4 %

Pour [S] = Km, la vitesse vaut la moitié de Vmax
Km apparent
2 mmol/L
Vmax apparente
100
[S] pour atteindre 90 % de la Vmax apparente (9 × Km)
18 mmol/L
Pente de Lineweaver-Burk (Km ÷ Vmax)
0,02
Ordonnée à l'origine de Lineweaver-Burk (1 ÷ Vmax)
0,01

Des enzymes qui saturent

Les enzymes accélèrent les réactions chimiques des cellules. À faible concentration en substrat, doubler le substrat double presque la vitesse. À forte concentration, toutes les molécules d’enzyme sont déjà occupées : ajouter du substrat n’y change presque plus rien, la vitesse plafonne. Leonor Michaelis et Maud Menten ont décrit ce comportement en 1913 par une équation simple, point de départ de la cinétique enzymatique enseignée en terminale spécialité, en BTS et à l’université.

L’équation

v = Vmax × [S] ÷ (Km + [S])

  • v est la vitesse initiale de la réaction ;
  • Vmax est la vitesse maximale, enzyme saturée ;
  • [S] est la concentration en substrat ;
  • Km, la constante de Michaelis, est la concentration en substrat pour laquelle v = Vmax ÷ 2.

Quand [S] est très inférieure au Km, la vitesse est presque proportionnelle à [S] (ordre 1). Quand [S] est très supérieure au Km, elle est presque constante (ordre 0). Atteindre 90 % de la Vmax demande [S] = 9 × Km, et 99 % demande 99 × Km.

Exemple

Une enzyme de Vmax = 100 µmol/min et Km = 2 mmol/L, avec [S] = 5 mmol/L :

  • v = 100 × 5 ÷ (2 + 5) = 71,4 µmol/min, soit 71,4 % de la Vmax
  • Pente de Lineweaver-Burk : 2 ÷ 100 = 0,02 ; ordonnée à l’origine : 0,01

Avec un inhibiteur compétitif à 1 mmol/L et Ki = 0,5 mmol/L, le facteur 1 + [I]/Ki vaut 3. Le Km apparent triple et passe à 6 mmol/L, et la vitesse tombe à 100 × 5 ÷ 11 = 45,5 µmol/min.

Les types d’inhibition réversible

Inhibiteur Se fixe sur Km apparent Vmax apparente
Compétitif L’enzyme libre, au site actif × (1 + [I]/Ki) Inchangée
Non compétitif (pur) L’enzyme, avec ou sans substrat Inchangé ÷ (1 + [I]/Ki)
Incompétitif Le complexe enzyme-substrat seulement ÷ (1 + [I]/Ki) ÷ (1 + [I]/Ki)

Beaucoup de médicaments sont des inhibiteurs compétitifs : les statines entrent en compétition avec le substrat naturel de l’HMG-CoA réductase pour réduire la production de cholestérol. Un excès de substrat lève une inhibition compétitive, pas une inhibition non compétitive.

Les représentations linéaires

Avant les ordinateurs, on transformait la courbe en droite. La représentation de Lineweaver-Burk, ou en double inverse, trace 1/v en fonction de 1/[S] : pente Km/Vmax, ordonnée à l’origine 1/Vmax, abscisse à l’origine −1/Km. Elle se lit facilement mais donne trop de poids aux mesures à faible concentration, les moins précises. Aujourd’hui, l’ajustement non linéaire direct de la courbe donne de meilleures estimations.

Hypothèses

L’équation suppose un seul substrat, des vitesses initiales mesurées avant l’accumulation de produit, une concentration en enzyme très inférieure à celle du substrat et un état stationnaire. Les enzymes allostériques, à courbe sigmoïde, suivent plutôt l’équation de Hill.

Questions fréquentes

Quelle est l'équation de Michaelis-Menten ?

v = Vmax × [S] ÷ (Km + [S]). Elle décrit comment la vitesse de nombreuses réactions enzymatiques augmente avec la concentration en substrat, puis plafonne à la vitesse maximale Vmax quand l'enzyme est saturée. Leonor Michaelis et Maud Menten l'ont publiée en 1913.

Que représente le Km ?

La concentration en substrat pour laquelle la réaction atteint la moitié de sa vitesse maximale. Un Km faible signifie en général que l'enzyme fonctionne bien à faible concentration. Selon l'enzyme, le Km va du micromolaire au millimolaire.

Comment les inhibiteurs modifient-ils Km et Vmax ?

Un inhibiteur compétitif augmente le Km apparent sans changer la Vmax. Un inhibiteur non compétitif pur diminue la Vmax sans changer le Km. Un inhibiteur incompétitif diminue les deux du même facteur, 1 + [I] ÷ Ki.

Qu'est-ce que la représentation de Lineweaver-Burk ?

Le tracé de 1/v en fonction de 1/[S], dite représentation en double inverse. La courbe devient une droite de pente Km/Vmax, d'ordonnée à l'origine 1/Vmax et d'abscisse à l'origine −1/Km. Elle montre d'un coup d'œil le type d'inhibition, mais un ajustement non linéaire donne des constantes plus précises.

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