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EXERCICE 15-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE

Bac 2013 - France métropolitaine - Exercice 1 (5 points)

 

ENONCE

 

L置réase est une enzyme découverte par J-B Summer en 1926.

Elle joue un rôle important au sein des organismes vivants dans la décomposition d置ne molécule organique, l置rée. On trouve l置réase dans des organismes végétaux (comme le haricot sabre) mais également dans des bactéries pathogènes (telles que Helicobacter pylori).

 

Une enzyme est une macromolécule. Les différentes parties de cette molécule sont liées entre elles notamment par des liaisons hydrogène qui se forment plus ou moins facilement suivant la température. Ces liaisons conduisent à la formation d置ne structure tridimensionnelle présentant de nombreux replis (voir image ci-contre). La réaction, que catalyse l弾nzyme, se produit au sein de l置n de ces replis appelé alors site actif.

L弛bjectif de cet exercice est létude du rôle de l置réase et de l段nfluence de certains paramètres sur son activité.

Données :

· couples acide/base : H3O+ (aq) / H2O (l) et NH4+ (aq) / NH3 (aq)

· pKa du couple NH4+ (aq) / NH3 (aq) = 9,2

 

Document 1. Influence de la température sur l誕ctivité enzymatique

La cinétique de la réaction catalysée est directement liée à l誕ctivité de l置réase : plus l誕ctivité est grande, plus la réaction est rapide. L誕ctivité relative, représentée sur le graphe ci-dessous, est le rapport de l誕ctivité de l弾nzyme sur son activité maximale, dans des conditions fixées de température, de pH et pour une quantité d'enzyme donnée.

Condition expérimentale : pH = 7,0 ( (solution tampon au phosphate de concentration molaire 20 mmol.L-1)

D誕près le site http://www.toyobospusa.com/enzyme-URH-201.html  

Document 2. Influence du pH sur l'activité enzymatique

Condition expérimentale : température ? = 30 °C

Activité relative (en pourcentage) de l'uréase en fonction du pH

D'après le site http://www.toyobospusa.com/enzyme-URH-201.html

1- Activité enzymatique de l'uréase

L'urée (NH2 - CO - NH2) réagit avec l'eau pour former de l'ammoniac NH3 et du dioxyde de carbone.

Au laboratoire, on réalise deux expériences :

- On dissout de l'urée dans de l'eau. Aucune réaction ne semble avoir lieu. Le temps de demi-réaction est estimé à 60 ans.

- On dissout de l'urée dans de l'eau en présence d'uréase. Il se forme quasi-immédiatement les produits attendus. Le temps de demi-réaction vaut 2 x 10 - 5 s.

1-1 L'uréase, un catalyseur

1-1-1 Ecrire l'équation de la réaction chimique entre l'urée et l'eau. (corrigé)

1-1-2 Rappeler la définition du temps de demi-réaction. (c)

1-1-3 En quoi les résultats des expériences permettent-ils de considérer l'uréase comme un catalyseur ? (c)

1-2 Effet de la température sur l'activité enzymatique

1-2-1 Quelle est en général l'influence de la température sur la cinétique d'une réaction chimique ? (c)

1-2-2 En utilisant le document 1, décrire l'influence de la température sur la cinétique de la réaction catalysée. (c)

1-2-3 A l'aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général (question 1.2.1) et celui décrit à la question 1.2.2. ? (c)

 

2- L'uréase dans le milieu stomacal

Cette question 2 du problème sera résolue comme application de la leçon 19Voir : EXERCICE 19-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE - Réponses à la question 2. 

La bactérie Helicobacter pylori (H.pylori) est responsable de la plupart des ulcères de l'estomac chez l'Homme. On souhaite savoir comment elle réussit à survivre dans un milieu très acide, comme l'estomac, en attendant de rejoindre la muqueuse stomacale où elle pourra se développer.

Dans la H.pylori, la réaction de production de l'ammoniac à partir de l'urée se fait selon le processus présenté dans la première partie " Activité enzymatique de l'uréase ".

2-1 Le contenu de l'estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d'acide chlorhydrique de concentration 1,0 × 10 - 2 mol.L-1. Sachant que l'acide chlorhydrique est un acide fort, calculer le pH de ce milieu.

2-2 A ce pH, quelle espèce chimique du couple NH4+ (aq) / NH3 (aq) prédomine ? Justifier la réponse.

2-3 La bactérie utilise son uréase pour catalyser la réaction de l'urée avec l'eau, ainsi elle sécrète de l'ammoniac dans son environnement proche. Dans l'estomac, l'ammoniac réagit avec les ions H3O+ selon l'équation chimique : NH3 (aq) + H3O+ (aq) NH4+ (aq) + H2O (l).

Quelle est la conséquence de la sécrétion d'ammoniac par la bactérie sur le pH de la solution autour d'elle ?

2-4 L'enzyme sécrétée par la bactérie H.pylori n'est pas l'uréase seule mais une association de l'uréase avec d'autres entités chimiques. En quoi le document 2 illustre-t-il le fait que l'uréase seule ne peut pas agir dans l'estomac ?

 

 
SOLUTION DE LA QUESTION 1.


1 - (énoncé) Activité enzymatique de l'uréase

1-1 L'uréase, un catalyseur

1-1-1 (e) Ecrivons l'équation de la réaction chimique entre l'urée et l'eau.

L'urée (NH2 - CO - NH2) réagit avec l'eau pour former de l'ammoniac NH3 et du dioxyde de carbone.

  NH2 - CO - NH2 (aq) + H2O (l) NH3 (aq) + CO2 (aq)

1-1-2 (e) Rappelons la définition du temps de demi-réaction.

Le temps de demi-réaction T1 / 2 est la durée nécessaire pour que la moitié du réactif limitant (ici l'urée) soit transformée. (Voir la leçon 15)

C'est aussi le temps nécessaire pour que l'avancement X atteigne la moitié de sa valeur maximale Xmax.

1-1-3 (e) Voyons pourquoi les résultats des expériences permettent de considérer l'uréase comme un catalyseur.

Au laboratoire, on a réalisé deux expériences :

- On dissout de l'urée dans de l'eau. Aucune réaction ne semble avoir lieu. Le temps de demi-réaction est estimé à 60 ans.

- On dissout de l'urée dans de l'eau en présence d'uréase. Les produits attendus se forment très rapidement. Le temps de demi-réaction vaut 2 x 10 - 5 s.

La présence d'uréase diminue considérablement le temps de demi-réaction mais sans intervenir dans le bilan de la réaction.

L'uréase est donc un catalyseur de la réaction NH2 - CO - NH2 (aq) + H2O (l) 2 NH3 (aq) + CO2 (aq)


1-2 (e) Analysons l'effet de la température sur l'activité enzymatique

1-2-1 (e) Rappelons quelle est en général l'influence de la température sur la cinétique d'une réaction chimique.

En général une augmentation de la température accélère une réaction chimique.

1-2-2 (e) En utilisant le document 1, décrivons l'influence conjuguée de la température et du catalyseur sur la cinétique de la réaction étudiée.

Document 1. Influence de la température sur l誕ctivité enzymatique

La cinétique de la réaction catalysée est directement liée à l誕ctivité de l置réase : plus l誕ctivité est grande, plus la réaction est rapide. L誕ctivité relative, représentée sur le graphe ci-dessous, est le rapport de l誕ctivité de l弾nzyme sur son activité maximale, dans des conditions fixées de température, de pH et pour une quantité d'enzyme donnée.

Condition expérimentale : pH = 7,0 ( (solution tampon au phosphate de concentration molaire 20 mmol.L-1)

D誕près le site http://www.toyobospusa.com/enzyme-URH-201.html  

C'est à 60 °C que l'uréase est la plus active et diminue le mieux le temps de demi-réaction.

Pour une température supérieure à 60 °C l'activité catalytique de l'uréase est mois bonne. La durée de la réaction augmente.

1-2-3 (e) A l'aide du texte introductif, voyons comment on peut expliquer la différence entre le cas général (question 1.2.1) et celui décrit à la question 1.2.2.

 L'enzyme uréase est une macromolécule. Les différentes parties de cette molécule sont liées entre elles notamment par des liaisons hydrogène qui se forment plus ou moins facilement suivant la température. Ces liaisons conduisent à la formation d置ne structure tridimensionnelle présentant de nombreux replis (voir image ci-dessus). La réaction, que catalyse l置réase se produit au sein de l置n de ces replis appelé alors site actif. A 60 °C, ces sites actifs sont très nombreux. Ils sont moins nombreux à 80 °C ou à 30 °C. C'est donc à 60 °C que la vitesse de la réaction NH2 - CO - NH2 (aq) + H2O (l) NH3 (aq) + CO2 (aq) en présence de catalyseur est la plus rapide.

 

2- L'uréase dans le milieu stomacal

Cette question 2 du problème sera résolue comme application de la leçon 19Voir : EXERCICE 19-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE - Réponses à la question 2. 

 

 A VOIR :

Exercice 15-A : Connaissances du cours n° 15.

Exercice 15-B : Un catalyseur enzymatique, l'uréase - Bac 2013 - France métropolitaine. (ci-dessus)

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