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EXERCICE 19-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE (suite de l'exercice 15B)

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 : Cette question 1 a déjà été traitée (Voir EXERCICE 15-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE - Réponses à la question 1)

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.

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

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

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 ?

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

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. ?

Cette question 1 a déjà été traitée (Voir EXERCICE 15-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE - Réponses à la question 1)

 

2- L'uréase dans le milieu stomacal

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. (corrigé)

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

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 ? (c)

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 ? (c)

 

 
SOLUTION


1 - (énoncé) Activité enzymatique de l'uréase

Cette question 1 a été traité comme application de la leçon 15 - Voir EXERCICE 15-B : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, l'UREASE- Réponses à la question 1. 

 

2- L'uréase dans le milieu stomacal

  2-1 (énoncé) Le contenu de l'estomac est un milieu très acide assimilable à une solution d'acide chlorhydrique de concentration C = 1,0 × 10 - 2 mol.L-1. Sachant que l'acide chlorhydrique est un acide fort, calculons le pH de ce milieu.

 L'acide chlorhydrique étant un acide fort réagit totalement avec les molécules d'eau présente dans l'estomac :

HCl (aq) + H2O (liq) Cl - (aq) + H3O + (aq) (1)

La concentration molaire volumique en ions oxonium H3O + est donc [ H3O + ] = C . = 1,0 × 10 - 2 mol.L-1 (2)

On en déduit :

pH = - log [ H3O + ] = - log 1,0 × 10 - 2 = 2,0 (3)

2-2 (e) A ce pH, précisons l'espèce chimique du couple NH4+ (aq) / NH3 (aq) qui prédomine.

Dans l'estomac, l'ammoniac réagit avec les ions H3O+ selon l'équation chimique : NH3 (aq) + H3O+ (aq) NH4+ (aq) + H2O (l). (4)

Par définition, la constante d'acidité KA du couple NH4+ (aq) / NH3 (aq) est :

(5)

Les concentrations molaires volumiques sont en mol / L mais la constante d'équilibre KA s'exprime sans unité.

Avec pKA = 9,2 et pH = 2 soit avec KA = 10 - 9,2 et [ H3O+ ] = 10 - 2 mol/L on écrit la relation (5) ci-dessus :

KA = 10 - 9,2 = 10 - 2 (6)

On obtient [ NH4+ (aq) ] = 10 7,2 x [ NH3 (aq) ] = 1,58 x 107 x [ NH3 (aq) ] (7)

A pH = 2 (dans l'estomac) c'est l'ion ammonium qui prédomine par rapport à la molécule ammoniac : [ NH4+ (aq) ] >> [ NH3 (aq) ] (8)

2-3 (e) 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) . (4 bis)

Voyons quelle est la conséquence de la sécrétion d'ammoniac par la bactérie sur le pH de la solution autour d'elle.

Dans la question 1-1-1 nous avons examiné 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) (9)

L'ammoniac formé réagit avec les ions oxonium H3O+ (aq) suivant la réaction :

NH3 (aq) + H3O+ (aq) NH4+ (aq) + H2O (l). (4 ter)

Donc au voisinage de la bactérie l'acidité due aux ions H3O+ (aq) diminue et le pH augmente.

(e) 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. Voyons en quoi le document 2 illustre le fait que l'uréase seule ne peut pas agir dans l'estomac.

Le document 2 montre que l'activité relative de l'uréase est nulle pour des pH inférieurs à 4. La réaction entre l'urée et l'eau ne pourrait être catalysée dans la solution stomacale qui a un pH voisin de 2.

D'autres catalyseurs, efficaces à pH = 2, interviennent donc. (10)

 

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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