Enzymes :
Groupe des hydrolases (EC 3)
Protéases (peptidases ou enzymes protéolytiques)
Modes d'action

Les peptidases (protéases ou enzymes protéolytiques), classées parmi les hydrolases, assurent, en grande partie, la dégradation des protéines (protéolyse).

Les autres processus peuvent être la digestion intramoléculaire, ainsi que la protéolyse par des températures élevées ou par des pH bas.

Le clivage d'une liaison peptidique s'effectue en plusieurs temps pour créer une attaque nucléophile du groupe carboxyle ($\ce{R-C(O)OH}$) du peptide (clivage protéolytique).

• Un nucléophile (qui aime les noyaux, donc les charges positives) est un composé chimique attiré par les espèces chargées positivement : il donne une paire d'électrons à des composés électrophiles pour former une liaison chimique.
• Un électrophile est un composé chimique déficient en électrons : il possède une charge élémentaire positive ($\ce{e+}$) ou une charge partielle ($\ce{δ+}$). Il attaque les aires riches en électrons comme les liens $\ce{C=C}$.

Un radical libre possède un électron libre qu'il veut apparier à un autre et est donc très réactif chimiquement avec d'autres composés : c'est la troisième forme d'attaque classique, mais qui n'intervient pas dans les protéases.

Attaque par un 
  résidu nucléophile

Vue d'ensemble

Cette attaque nucléophile peut être effectuée par un résidu d'acide aminé comme la cystéine (C), la sérine (S) ou la thréonine (T).

1. En règle générale, c'est une triade catalytique (nucléophile, base et acide) qui officie, i.e. ensemble de trois acides aminés coordonnés qui sont trouvés dans le site actif de certaines enzymes comme (Intrinsic evolutionary constraints on protease structure, enzyme acylation, and the identity of the catalytic triad 2013) :

• les hydrolases, i.e. protéases, les amidases, les estérases, les acylases, les lipases et les β-lactamases,
• les transférases.

a. En général, un résidu d'histidine est utilisé pour activer la sérine, la cystéine ou la thréonine, utilisées comme nucléophiles.

b. En effet, les 20 acides aminés ne contiennent pas de groupe fonctionnels suffisamment nucléophiles pour réaliser la catalyse tout seuls.

• Les groupes nucléophiles sont formés par le groupe hydroxyle ($\ce{OH}$) de la sérine, le groupe thiol/ion thiolate ($\ce{SH/S−}$) de la cystéine.
• La thréonine utilise son deuxième groupe hydroxyle, et se sert de l'amide N-terminale de la protéase comme base (Unconventional serine proteases: Variations on the catalytic Ser/His/Asp triad configuration 2008).

2. Ce mécanisme est retrouvé dans au moins 23 superfamilles distinctes et est l'un des mieux étudiés en biochimie.

Déprotonation du résidu nucléophile

Vue d'ensemble

Le résidu nucléophile est polarisé et déprotonaté par la base (en général l'histidine, mais aussi quelquefois, la lysine ou le groupe amide dans les protéases à thréonine) qui accroît ainsi son activité (dépronation et pKa).

• La base est stabilisée par une liaison hydrogène par l'acide qui est, dans les conditions normales de pH, l'acide aspartique (aspartate) et l'acide glutamique (glutamate).
• Cette liaison oriente correctement la base pour inhiber la rotation de toute la chaîne et de la placer dans une position adéquate à la polarisation du résidu nucléophile.

Ce résidu n'est pas indispensable dans certaines protéases car l'histidine peut être orientée d'une autre manière, par exemple par l'asparagine dans la papaïne, ou une molécule d'eau pour certaines protéases de virus (hépatite A).

Mécanisme

Le mécanisme est le suivant.

1. Le nucléophile force l'oxygène du groupe carbonyle ($\ce{C=O}$) à accepter un électron, conduisant à un premier intermédiaire tétraédrique.

2. Un intermédiaire acyl catalytique (ou intermédiaire acyl-enzyme) est formé dans lequel le groupe carboxyle ($\ce{-C(=O)OH}$) est lié de manière covalente au nucléophile catalytique après le clivage du reste du substrat protonaté par la base.

Cet intermédiaire est stabilisé par des résidus donneurs d'hydrogène, qui forment un trou oxyanion.

• Un trou oxyanion est une cavité dans la structure d'une enzyme qui stabilise un atome d'oxygène ou un alcoolate (alkoxide) déprotoné, souvent en le plaçant à proximité d'un résidu chargé positivement.
• Cette poche est le plus souvent formé d'amides ou de résidus chargés positivement.

3. Puis, cet intermédiaire acyl catalytique est attaqué par un autre substrat pour former un second intermédiaire tétrahédrique qui éjectera le nucléophile pour régénérer la protéase et libérer le produit. Ce second substrat peut être :

• une molécule d'eau qui hydrolyse le produit,
• une molécule organique qui se transfère au produit : la protéase agit alors comme une transférase, dans ce cas une acyltransférase.

Attaque par une molécule d'eau

Vue d'ensemble

L'attaque nucléophile peut être effectuée par une molécule d'eau activée (protéases A, M, G) pour former un ion hydroxyde ($\ce{OH-}$) qui est alors capable d'attaquer la liaison isopeptidique.

Dans le cas des métalloprotéases, c'est un cation divalent, en général $\ce{Zn++}$, qui active $\ce{H2O}$.

• L'ion métallique est maintenu en bonne place par des résidus d'acides aminés, en général 3 dont les plus fréquents sont l'histidine, le glutamate, l'aspartate ou la lysine.
• Le motif HExxH est commun à la moitié des métalloprotéases (A theoretical study of the mechanism for peptide hydrolysis by thermolysin 2002).

Mécanisme

Le mécanisme est un peu différent pour les métalloendoprotéases et les métalloexoprotéases (mécanismes dans l'article Métalloproteases).

1. Pour la thermolysine (métalloendoprotéase bacillaire) ou les métalloprotéinases matricielles (MPP), un quatrième résidu (en plus du motif HExxH - His142, Glu143, His 146 -), Glu166 est requis pour la catalyse et jouerait le rôle d'électrophile(Matrix metalloproteinases: Fold and function of their catalytic domains 2010).

• La liaison tétraédrique de $\ce{Zn++}$ est complétée par une molécule d'eau nucléophile (W pour water ou $\ce{H2O}$).
• Le substrat déplace les hydrogènes de $\ce{H2O}$) vers Glu143, tandis que l'oxygène de $\ce{H2O}$) reste associé à $\ce{Zn++}$ : le complexe enzyme-substrat (ES) est formé par$\ce{Zn++}$ associé à l'oxygène de l'extrémité du substrat.

Glu143 polarise $\ce{Zn++}$ et permet l'attaque nucléophile du groupe carbonyle du substrat par l'O de $\ce{H2O}$) associé à $\ce{Zn++}$ (cf. voie acide/base sur la figure ci-dessous).

2. Pour la carboxypeptidase A, une métalloexopeptidase, deux voies coexistent (Catalysis of Carboxypeptidase A: Promoted-water vs Nucleophilic Pathways 2010) :

• la voie acide/base (promoted-water),
• la voie nucléophile (ou anhydride).