Les glycosidases et leurs inhibiteurs
Les glycosidases
Généralités : Les glycosidases ou glycoside-hydrolases sont les enzymes qui catalysent l’hydrolyse sélective des liaisons glycosidiques dans les polysaccharides et les glycoconjugués. Elles permettent la libération de molécules non saccharidiques, de monosaccharides ou d’oligosaccharides de plus faible poids moléculaire. Ainsi, la maltase, à titre d’exemple, catalyse l’hydrolyse de la liaison entre les deux unités du maltose pour donner deux molécules de glucose (Schéma 1). De toutes les enzymes présentes dans la nature, ce sont les plus abondantes, les plus évoluées et comptent parmi les plus efficaces. Elles arrivent à augmenter jusqu’à 1017 fois la vitesse de la réaction de coupure de la très stable liaison glycosidique (347 kJ.mol-1 ) 1 . Schéma I. 1. hydrolyse du maltose Elles sont impliquées dans un grand nombre de processus biologiques.2 Elles sont spécifiques de l’unité glucidique hydrolysée, de sa série D ou L, de sa forme furanique ou pyranique et de la configuration de la liaison glycosidique α ou β. Ainsi les α-D-glucosidases hydrolysent les α-D-glucosides, les β-D-galactosidases les β-D-galactosides etc. De plus, au sein de chaque famille, il existe de petites variations selon l’origine de l’enzyme.3 Chez l’homme, les glycosidases sont responsables de la digestion des polysaccharides de l’alimentation dans la bouche et l’intestin grêle, en permettant la dégradation de ceux-ci en monosaccharides, qui peuvent ensuite passer la barrière intestinale pour être véhiculés par le sang vers les organes. Par exemple, l’α-amylase sécrétée par les glandes salivaires et le pancréas transforme l’amidon en maltose, maltotriose et dextrines. Les deux premiers composés sont hydrolysés par la maltase et le dernier par l’α-dextrinase pour donner du glucose. De même, le saccharose est hydrolysé en glucose et fructose par la saccharase et le lactose en glucose et galactose par la lactase. Ces enzymes sont localisées à la surface des cellules épithéliales qui tapissent l’intestin grêle4 . Chapitre I : Les glycosidases et leurs inhibiteurs 8 Certaines de ces enzymes, dont l’α-1,6-glucosidase, jouent également un rôle important dans la dégradation du glycogène stocké dans le foie et les muscles. L’hydrolyse de ce polysaccharide formé d’unités glucose reliées entre elles par des liaisons α-1,4 et possédant des ramifications créées par des liaisons α-1,6, sur environ un résidu sur dix (Figure 1), permet d’apporter rapidement de l’énergie sous forme de glucose aux différents organes.5 Figure I. 1. Structure du glycogène Les glycosidases sont également impliquées dans le processus de maturation des glycoprotéines et des glycolipides qui sont très répandus dans l’organisme et leurs fonctions sont très variées. Les glycoprotéines sont notamment présentes dans les membranes cellulaires et interviennent dans de nombreux processus, comme le transport membranaire, la reconnaissance cellulaire, la réplication des virus, la réponse immunitaire etc. Les unités oligosaccharidiques des glycoprotéines sont liées à des résidus asparagine par des liaisons Nglycosidiques ou à des résidus sérine et thréonine par des liaisons O-glycosidiques. Dans le cas des oligosaccharides N-liés (Figure 2), quatorze résidus osidiques sont transférés en bloc d’un transporteur lipidique à la protéine.6 Il s’agit d’un enchaînement de deux Nacétylglucosamines (GlcNAc), suivies de neuf mannoses (Man) et de trois glucoses (Glc) hydrolysés dans le réticulum endoplasmique par action de différentes glycosidases. Figure I. 2. Glycoprotéine avec oligosaccharides N-liés Les glycoprotéines sont ensuite transportées vers l’appareil de Golgi, cet organite a pour but de poursuivre la modification des protéines N-glycosylées et d’entamer la maturation des protéines O-glycosylées qui sont ensuite envoyées vers leurs sites d’activité : le lysosome, la membrane ou les vésicules de sécrétion.
Mécanismes
Les glycosidases agissent selon deux mécanismes principaux décrits pour la première fois par Koshland en 19537 . Les séquences d’acides aminés, ainsi que les structures en trois dimensions d’un grand nombre de glycosidases sont désormais connues, ce qui permet d’affiner encore les connaissances relatives aux mécanismes de ces enzymes8, 9 . Ces mécanismes mettent principalement en jeu deux groupements carboxyliques provenant de résidus glutamate ou aspartate du site actif de l’enzyme, dont l’un joue le rôle de donneur de proton (acide-base) et l’autre agit en tant que base/nucléophile.
Mécanisme avec inversion de configuration
C’est le mécanisme le moins répandu qui libère un glucide dont la configuration anomérique est l’inverse de celle du substrat. Il correspond à une substitution nucléophile s’effectuant selon un mécanisme concerté avec une catalyse acide-base générale. L’un des groupements carboxyliques permet le départ de l’aglycone par son rôle de catalyseur acide, tandis que l’autre sous forme de carboxylate déprotone l’eau pour favoriser son attaque sur le carbone anomérique. En effet, pour ce type de glycosidases, une distance moyenne de 10,5 Å entre les deux acides aminés doit être mise en évidence10-12. Cette réaction s’effectue en passant par un état de transition dont la structure est proche de celle d’un cation oxocarbénium (Schéma 2).
Mécanisme avec rétention de configuration
Les glucosidases agissant avec rétention de configuration anomérique, libèrent un glucide dont la stéréochimie du carbone anomérique est la même que celle du substrat (suite à deux inversions de configuration successives). Dans ce cas, les résidus carboxyliques sont moins éloignés (5,5Å) et l’hydrolyse a lieu en deux étapes.Le nucléophile effectuant la première attaque sur le carbone anomérique est l’acide carboxylique déprotoné de l’enzyme (Asp ou Glu), ce qui implique la formation d’un intermédiaire covalent glycosyl-enzyme. Par conséquent, le substituant du glucoside est relâché à cette première étape. Par la suite, un deuxième résidu acide active une molécule d’eau qui, en attaquant le carbone anomérique, libère le glucide de l’enzyme. Deux étapes de type SN2 se suivent donc, il y a rétention de la configuration du carbone anomérique en passant par des états de transition également proches de cations oxocarbénium (schéma 3).
Quelques aspects mécanistiques particuliers
Il s’agit des cas particuliers où l’acide catalytique peut être remplacé par un phosphate inorganique, comme, par exemple: la maltose phosphorylase, la sucrose phosphorylase ou la cellobiose phosphorylase13, 15. Certaines glycosidases comme les myrosinases, les chitinases et les endo N-acétylglucosaminidases présentent un mécanisme moléculaire d’hydrolyse n’impliquant l’intervention que d’un seul acide aminé catalytique comme N-acétyl-βhexosaminidases dont le groupement N-acétyl du substrat joue le rôle du nucléophile en formant un intermédiaire oxazolinium16, 17. D’autres impliquent des mécanismes d’oxydoréduction et/ou d’élimination.
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