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PROBLEME A RESOUDRE n° 9-B : Transport du dioxygène dans le sang (Bac Mars 2007 - Nouvelle Calédonie)

(Calculatrice autorisée)

 

ENONCE :

 

Le but de cet exercice est d'étudier, de manière simplifiée, le transport du dioxygène par l'hémoglobine du sang des poumons vers les organes.

Une molécule d'hémoglobine est constituée de plusieurs sous-unités. On ne considèrera dans tout l'exercice que la sous-unité notée Hb(aq).

Le dioxygène est transporté de deux façons dans l'organisme :

- sous forme de dioxygène dissous dans le sang que l'on note O2 (aq).

- sous forme d'oxyhémoglobine que l'on notera HbO2 (aq).

Le sang est assimilé à une solution aqueuse.

Donnée : Masse molaire de la sous-unité d'hémoglobine : M (Hb) = 1,6 x 10 4 g.mol - 1.

Les quatre parties sont indépendantes.


PARTIE 1. Transport du dioxygène dans l'organisme par l'hémoglobine du sang

Au niveau des poumons, une sous-unité d'hémoglobine peut fixer une molécule de dioxygène pour donner une sous-unité d'oxyhémoglobine. L'équation de la réaction associée à la transformation chimique est :

Hb (aq) + O2 (aq) = HbO2 (aq) (1)

· 1.1 A l'état initial, on suppose qu'un volume V = 100 mL de sang contient une quantité de sous-unités d'hémoglobine notée n0, un excès de dioxygène et ne contient pas de sous-unités d'oxyhémoglobine.

Ce volume V de sang contient une masse m = 15 g de sous-unités d'hémoglobine.

Calculer la quantité de matière n0 de sous-unités d'hémoglobine correspondante.

· 1.2 En déduire l'avancement maximum Xmax de la réaction. On pourra s'aider d'un tableau d'évolution du système.

· 1.3 Le taux d'avancement final t final de la réaction chimique (1) a pour valeur 0,97.

Donner la relation qui définit le taux d'avancement final t final et en déduire la valeur X final de l'avancement final.

· 1.4 En déduire la quantité de sous-unités d'oxyhémoglobine HbO2 formée dans l'état final.

· 1.5 En une minute, le débit cardiaque moyen permet de traiter VS = 5,0 L de sang au niveau des poumons. En déduire la quantité correspondante nS de sous-unités d'oxyhémoglobine HbO2 formées pendant une minute.

 

PARTIE 2. Libération du dioxygène au niveau des organes

Le volume V de sang étudié dans la partie 1 arrive au niveau des tissus des organes. A ce stade une partie du dioxygène dissous est absorbée par les tissus faisant ainsi chuter la concentration en dioxygène dans le sang.

Le système chimique étudié dans la partie 1 se trouve alors dans un nouvel état initial, noté état 1, tel que :

- la concentration en dioxygène dissous est [O2]1 = 3,6 x 10 - 5 mol.L - 1

- celle de sous-unités d'hémoglobine est alors [Hb]1 = 2,8 x 10 - 4 mol.L - 1

- celle de sous-unités d'oxyhémoglobine est [HbO2]1 = 9,1 x 10 - 3 mol.L - 1.

· 2.1 Calculer la valeur du quotient de réaction Q r1 dans l'état 1 correspondant à l'équation (1).

· 2.2 La constante d'équilibre K1 liée à l'équation (1) a pour valeur K1 = 3,0 x 10 5.

Dans quel sens évolue le système ?

 

PARTIE 3. Et lors d'un effort musculaire ?

Données :

Au cours d'un effort, du dioxyde de carbone est formé au niveau des muscles. Il se dissout dans le sang. Le couple acide-base mis en jeu est CO2,H2O / HCO3- (aq) de pKa = 6,4.

· 3.1 Ecrire l'équation notée (2) de la réaction associée à la transformation entre le dioxyde de carbone dissous et l'eau.

· 3.2 Représenter sur un axe les domaines de prédominance des espèces du couple CO2,H2O / HCO3-.

· 3.3 En déduire, en le justifiant, l'espèce prédominante de ce couple dans le sang au niveau des tissus pour un pH du sang égal à 7,4.

· 3.4 Pourquoi la dissolution du dioxyde de carbone provoque-t-elle une diminution du pH sanguin en l'absence d'autres réactions ?

· 3.5 Chez l'homme, le pH du sang est compris dans des limites très étroites : 7,36 à 7,42. D'autre part, l'oxyhémoglobine peut réagir avec les ions oxonium selon l'équation :

HbO2 (aq) + H3O + = O2 (aq) + HbH + (aq) + H2O (3)

Montrer que les ions H3O + produits par la réaction d'équation (2) permettent la libération du dioxygène nécessaire à l'effort musculaire tout en limitant la variation de pH, vue à la question 3.4.


4. Empoisonnement au monoxyde de carbone

La combustion d'une substance contenant du carbone produit du monoxyde de carbone dans certaines conditions, par exemple dans les poêles ou fourneaux mal aérés, ou dans la fumée de cigarettes.

L'équation associée à la réaction entre le monoxyde de carbone et une sous-unité d'hémoglobine s'écrit :

Hb (aq) + CO (aq) = HbCO (aq) (4) avec K4 = 7,5 x 10 7

Le tableau suivant donne les effets sur l'organisme associés aux valeurs du rapport des concentrations à l'équilibre .

de 1,1 x 10 4 à 2,6 x 10 4

de 2,6 x 10 4 à 2,6 x 10 5

supérieur à 2,6 x 10 5

Effets

Maux de tête

Intoxication grave

Mort rapide

· 4.1 L'analyse du sang d'une personne ayant respiré de l'air pollué par du monoxyde de carbone a révélé une concentration en monoxyde de carbone dissous dans le sang égale à 2,0 x 10 - 4 mol.L - 1.

Quels sont les effets ressentis par la personne ?

· 4.2 Au sein de l'organisme il y a donc compétition entre le dioxygène et le monoxyde de carbone pour se fixer sur l'hémoglobine (équations 1 et 4). On atteint un état d'équilibre correspondant à l'équation :

HbO2 (aq) + CO (aq) = HbCO (aq) + O2 (aq) (5)

Donner l'expression de la constante d'équilibre K5 associée à l'équation 5 en fonction de K1 et K4 et calculer sa valeur.

· 4.3 Une personne empoisonnée au monoxyde de carbone est placée dans un caisson hyperbare dans lequel on impose une concentration élevée en dioxygène permettant ainsi d'augmenter la concentration de dioxygène dissous dans le sang. Expliquer qualitativement l'action du caisson hyperbare.


Après avoir résolu ce problème, consultez la solution type.

 
A VOIR :

Exercice résolu de la leçon 9 : Calcul du coefficient de réaction Qr pour un état donné quelconque du système.

Exercice résolu de la leçon 9 : Application du critère d'évolution spontané à une réaction acido-basique.

Exercice résolu de la leçon 9 : Application du critère d'évolution spontané à une réaction d'oxydo-réduction.

Problème résolu n° 9-A : Evolution d'un mélange d'acide et de base dans l'eau.

Problème n° 9-B ci-dessus (à résoudre) : Transport du dioxygène dans le sang (Bac Mars 2007 - Nouvelle Calédonie).

Problème n° 9-C (à résoudre) : Comme un poisson dans l'eau (Bac 09/2006 - France).

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