Triose-phosphate isomérase

Structure tertiaire d'un monomère de triose-phosphate isomérase, formant un tonneau TIM. Les feuillets β sont représentés en vert tandis que les hélices α sont en marron.

La triose-phosphate isomérase est une enzyme homodimérique, c'est-à-dire qu'elle est formée de deux sous-unités identiques, contenant chacune environ 250 résidus d'acides aminés. La structure tertiaire de chaque sous-unité contient huit hélices α à l'extérieur et huit feuillets β parallèles à l'intérieur, l'ensemble formant un tonneau TIM. Le site actif de l'enzyme se trouve au centre de ce tonneau. La réaction catalysée fait intervenir des résidus de glutamate et d'histidine et la séquence entourant le site actif est conservée dans toutes les triose-phosphate isomérases connues.

La structure de cette enzyme est adaptée à sa fonction. Outre les résidus de glutamate et d'histidine judicieusement situés, une chaîne de dix ou onze résidus agit comme une boucle stabilisant l'intermédiaire réactionnel. Cette boucle, constituée des résidus 166 à 176, enferme le substrat et forme une liaison hydrogène avec son groupe phosphate, ce qui stabilise l'intermédiaire ènediol et les autres états intermédiaires de la réaction[6]. En particulier, la liaison hydrogène entre l'enzyme et le groupe phosphate a pour effet de prévenir la décomposition de ces intermédiaires en méthylglyoxal et phosphate inorganique. Le méthylglyoxal est toxique et, s'il se forme, est éliminé par le système glyoxalase[7]. De plus, la formation de glyoxalate conduit à la perte d'un groupe phosphate à haut potentiel de transfert pour le reste de la glycolyse, ce qui est énergétiquement défavorable pour la cellule.

Certaines études suggèrent qu'un résidu de lysine en position 12, proche du site actif, joue également un rôle déterminant dans le fonctionnement de l'enzyme. Ce résidu est protoné à pH physiologique et pourrait ainsi contribuer à neutraliser la charge électrique négative du groupe phosphate. L'enzyme perd toute activité lorsque ce résidu est remplacé par celui d'un acide aminé neutre au cours d'une mutation génétique, tandis qu'elle conserve une certaine activité si ce résidu est remplacé par celui d'un autre acide aminé à chaîne latérale basique[8].

Le mécanisme réactionnel de la triose-phosphate isomérase implique la formation d'un intermédiaire ènediol. L'enthalpie libre de l'état fondamental et de l'état de transition de chaque intermédiaire a pu être déterminé expérimentalement et son évolution est tracée sur la figure ci-dessous[3] :

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  (en) Variations d'enthalpie libre ΔG au cours de la conversion de la dihydroxyacétone phosphate (DHAP) en glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) par la triose-phosphate isomérase (E).

La structure de la triose-phosphate isomérase facilite l'interconversion entre la dihydroxyacétone phosphate et le glycéraldéhyde-3-phosphate. Le résidu nucléophile de Glu-165 de l'enzyme agit en déprotonant le substrat[9], tandis que le résidu électrophile d'His-95 cède un proton pour former l'intermédiaire ènediol[10] - [11]. L'intermédiaire ènediolate déprotoné absorbe un proton du résidu de Glu-165 protoné pour donner le glycéraldéhyde-3-phosphate. La réaction inverse est catalysée de façon analogue, avec le même intermédiaire ènediol, mais avec une réaction sur l'atome d'oxygène en C2[6].

La triose-phosphate isomérase est une enzyme limitée par la diffusion des substrats — c'est-à-dire une enzyme parfaite. D'un point de vue thermodynamique, la formation de dihydroxyacétone phosphate est favorisée à 20:1 par rapport à la formation de glycéraldéhyde-3-phosphate[12]. Cependant, ce dernier est consommé par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase ou cours de la glycolyse, ce qui déplace l'équilibre vers la formation de ce composé au détriment du dihydroxyacétone phosphate.

La triose-phosphate isomérase est inhibée par les ions sulfate SO₄²⁻, phosphate PO₄³⁻ et arséniate AsO₄³⁻, qui se lient au site actif[13]. Parmi les autres inhibiteurs de cette enzyme, on note le 2-phosphoglycolate, un analogue de l'état de transition (en), et le D-glycérol-1-phosphate (en), analogue structurel du substrat[14].