Séparation d’acides alpha-aminés

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Séparation d’acides alpha-aminés

Structure et transformation de la matière

Corrigé

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Comprendre

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Sujet inédit

Exercice • 5 points

Les acides α-aminés constituent les matières de base des polypeptides et des protéines qui interviennent dans les systèmes de régulation et jouent le rôle d’enzymes (catalyseurs biologiques). Ce sont des molécules qui interagissent avec un milieu ayant un certain pH.

C’est le pH du milieu des acides aminés qui va déterminer leur forme ionique. En fait, les acides aminés ne sont jamais sous la forme NH2/COOH, mais plutôt sous trois types différents : la forme acide, la forme basique ou la forme isoélectrique, ou zwitterion.

Pour chaque acide aminé, il existe une valeur spécifique du pH où la charge globale de la molécule est nulle. Cette valeur de pH (pHi) représente le point isoélectrique où la concentration du zwitterion de l’acide aminé est maximale.

La charge globale portée par les différentes formes ioniques de l’acide aminé en solution dépend de la valeur du pH de la solution.

La charge électrique globale est nulle lorsque le pH de la solution est égal au pHi.

Elle est positive lorsque le pH de la solution est inférieur au pHi et négative lorsque le pH de la solution est supérieur au pHi.

1. Étude d’acides aminés

La glycine, ou acide 2-amino éthanoïque, et l’alanine sont les acides α-aminés les plus simples.


11. Identifier les groupes caractéristiques présents sur ces deux molécules. (0,25 point)

2. Représenter l’alanine de façon à mettre en évidence le carbone asymétrique. Combien existe-t-il de stéréoisomères de l’alanine.

Préciser leur nature.

Qu’en est-il de la glycine ? (1 point)

2 En solution aqueuse, il se forme presque exclusivement un ion dipolaire, appelé amphion ou zwitterion (représenté dans le tableau précédent).

1. Définir un acide et une base selon Brønsted. (0,25 point)

2. Quel est l’acide conjugué de cet amphion (on donne pKA1= 9,9) ?

Écrire alors l’équation de la réaction de cet amphion avec l’eau.

Quel est ici le rôle de l’eau ? Celui de l’amphion ? (0,5 point)

3. Quelle est la base conjuguée de cet amphion (on donne pKA2= 2,3) ?

Écrire alors l’équation de la réaction de cet amphion avec l’eau.

Quel est ici le rôle de l’eau et celui de l’amphion ? (0,5 point)

4. Comment peut-on qualifier cet amphion ? (0,25 point)

3 Les valeurs respectives des pKA des couples acido-basiques sont pKA1= 2,3 et pKA2= 9,9.

1. Sur un axe de pH, indiquer les domaines de prédominance de chaque couple de l’alanine. (0,25 point)

2. On acidifie la solution aqueuse de l’alanine, on obtient un pH de 2. Quelle est l’espèce majoritaire ? Que se passe-t-il si la solution a un pH = 6, un pH = 11 ? (0,5 point)

2. Principe de l’électrophorèse

Des particules ayant une charge électrique et soumises à l’action d’un champ électrique se déplacent dans la direction du champ vers le pôle de signe opposé à leur charge, à une vitesse proportionnelle à cette charge.

On cherche à séparer par électrophorèse sur papier les acides aminés d’un mélange de proline (pHi = 6,3), de lysine (pHi = 9,7) et d’acide aspartique (pHi = 3) dont les formules semi-développées sont présentées ci-dessous.

On réalise cette expérience dans une solution tampon de pH = 6,3.



Le mélange est déposé au centre du papier. Les deux extrémités sont au contact d’un compartiment contenant une solution tampon. Chaque compartiment est relié à une électrode. Un générateur applique une tension pendant une heure.

Ensuite, on vaporise le papier avec de la ninhydrine, ce qui permet de révéler la présence des acides aminés par l’apparition de taches colorées.

1 Quelle est la charge d’un acide aminé quand le pH de la solution est inférieur à son pHi ? Et quand il est supérieur au pHi ? (0,25 point)

2 Attribuer chaque tache obtenue ci-contre à un acide aminé en justifiant la réponse. (0,5 point)

3 Qu’est ce qu’une solution tampon ? Quel est l’intérêt d’utiliser une telle solution ? (0,5 point)

4 Le résultat aurait-il été identique si la solution tampon utilisée avait eu un pH de 10 ? (0,25 point)

Partie 1

12. Repérer un carbone asymétrique est nécessaire pour identifier les stéréoisomères.

3 Le diagramme de prédominance permet de visualiser l’espèce qui est la plus présente à un pH donné, et l’espèce qui prédomine.

Partie 2

1 Le pHi n’est pas une connaissance du cours donc il faut aller rechercher sa particularité dans l’énoncé.

Le papier sur lequel sont déposés les échantillons est imbibé de la solution tampon.

3 Une solution tampon est une solution dont le pH ne varie quasiment pas même avec un ajout d’acide, de base ou d’une solution faiblement diluée.

Corrigé

I. Étude d’acides aminés

11. Reconnaître les groupes fonctionnels organiques

Deux groupes caractéristiques sont présents sur chaque molécule : le groupe carboxylique — COOH et le groupe amine .

2. Déterminer des molécules énantiomères


Un carbone asymétrique est lié à quatre atomes ou groupements d’atomes différents. Il existe donc deux configurations image l’une de l’autre et non superposables. Il s’agit d’un couple d’énantiomères.

La formule semi-développée de l’alanine est donnée ci-contre.

La glycine ne possède pas de carbone asymétrique donc pas de possibilité de stéréoisomères de configuration.

21. Définition d’une base et d’un acide

Un acide selon Brønsted est une espèce capable de libérer un proton ; inversement, une base est capable de le capter.

2. Déterminer un acide conjugué et écrire une réaction acido-basique

Puisqu’on cherche un acide conjugué, on en déduit que l’amphion joue un rôle de base, il va capter un proton grâce au groupe . L’eau joue alors le rôle d’acide. L’équation de la réaction est :


3. Déterminer une base conjuguée et écrire une réaction acido-basique

Puisqu’on cherche une base conjuguée, on en déduit que l’amphion joue un rôle d’acide, il va céder un proton grâce au groupe . L’eau joue le rôle de base. L’équation de la réaction est :


Notez bien

Les acides aminés ont toujours cette particularité ampholyte.

4. Définition d’un ampholyte

L’amphion se comporte comme un acide ou une base, c’est un ampholyte.

31. Domaine de prédominance


2. Prévoir l’espèce majoritaire à partir du pH
et du diagramme de prédominance

Lorsque pH = 2,3, l’espèce majoritaire est l’acide conjugué de l’amphion. Lorsque pH = 6, l’espèce majoritaire est l’amphion, et à pH = 11, la base conjuguée de l’amphion devient à son tour majoritaire.

2. Principe de l’électrophorèse

1 Extraire des informations d’un texte

D’après les informations fournies, lorsque pH < pHi, la charge globale est positive. On est en présence de l’acide conjugué de l’amphion.

Si pH = pHi, l’espèce est globalement neutre, il s’agit de l’amphion.

Et pour pH > pHi, la charge globale est négative, on est en présence de la base conjuguée de l’amphion.

2 Analyser un dispositif expérimental

La tache A se dirige vers le pôle –, il s’agit donc d’une espèce chargée positivement. La tache C se déplace vers le pôle +, il s’agit d’une espèce chargée négativement.

Une troisième tache se retrouve au centre, elle n’a pas migré car elle est globalement neutre, il s’agit donc d’un acide aminé sous la forme d’un amphion.

Ici, l’électrophorèse se déroule dans une solution tampon de pH = 6,3.

À cette valeur de pH, l’acide aspartique, ayant un pHi de 3, se trouve sous une forme chargée négativement car pH > pHi, il se dirige donc vers le pôle positif, il s’agit de la tache C.

La proline a un pHi de 6,3, égal au pH, c’est la forme amphion qui est présente, c’est la tache B.

La tache A correspond donc à la lysine, de pHi = 9,7, donc ici pH < pHi. La lysine se trouve chargée positivement sous la forme de l’acide conjugué. L’électrophorèse a donc permis de séparer ce mélange d’acides aminés.

Notez bien

Les propriétés des solutions tampons sont à connaître : stabilité du pH par rapport à la dilution ou à l’ajout modéré d’acide ou de base.

3 Définition d’une solution tampon et utilisation dans un protocole

Une solution tampon est une solution dont le pH est très stable, il ne varie quasiment pas même avec un ajout d’acide, de base ou d’une faible dilution. L’intérêt ici d’une telle solution est de fixer le pH. Les acides aminés se trouvent sous l’une des trois formes possibles et peuvent être séparés selon leur charge. De plus, en raison des propriétés acido-basiques des acides aminés, il n’y a pas de modification de pH.

4 Analyser une particularité d’un protocole expérimental

Si la solution tampon a un pH = 10, les pHi des trois acides aminés étudiés étant tous inférieurs à cette valeur, ceux-ci sont chargés positivement et migrent vers le pôle –. On ne peut donc pas les séparer !