Un catalyseur enzymatique, l’uréase

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Temps, mouvement et évolution
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : France métropolitaine
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Un catalyseur enzymatique, l’uréase
 
 

Temps, mouvement et évolution

Corrigé

20

Comprendre

pchT_1306_07_02C

 

France métropolitaine • Juin 2013

Exercice 1 • 5 points

L’uréase est une enzyme découverte par J.-B. Summer en 1926. Elle joue un rôle important au sein des organismes vivants dans la décomposition d’une molécule organique, l’urée. On trouve l’uréase 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’une structure tridimensionnelle présentant de nombreux replis (voir image ci-dessous). La réaction que catalyse l’enzyme se produit au sein de l’un de ces replis appelé alors site actif.

Haricot sabre

 
Structure 3D de l’uréase

 

L’objectif de cet exercice est l’étude du rôle de l’uréase et de l’influence de certains paramètres sur son activité.

Données

  • Couples acide/base :  ; .
  • pKa du couple .
Document 1

Influence de la température sur l’activité enzymatique

La cinétique de la réaction catalysée est directement liée à l’activité de l’uréase : plus l’activité est grande, plus la réaction est rapide. L’activité relative, représentée sur le graphe ci-dessous, est le rapport de l’activité de l’enzyme 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).


 
Document 2

Influence du pH sur l’activité enzymatique

Condition expérimentale : température 0 – 30 °C


 

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

1 L’uréase, un catalyseur

1. Écrire l’équation de la réaction chimique entre l’urée et l’eau.

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

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

2 Effet de la température sur l’activité enzymatique

1. Quelle est en général l’influence de la température sur la cinétique d’une réaction chimique ?

2. En utilisant le document 1, décrire l’influence de la température sur la cinétique de la relation catalysée.

3. À l’aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général (question 21) et celui décrit à la question 22 ?

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 ».

1 Le contenu de l’estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d’acide chlorydrique de concentration . Sachant que l’acide chlorhydrique est un acide fort, calculer le pH de ce milieu.

2 À ce pH, quelle espèce chimique du couple prédomine ? Justifier la réponse.

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 .

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

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 ?

Notions et compétences en jeu

Savoir étudier une cinétique chimique • Connaître la catalyse • Savoir exploiter des données graphiques • Savoir utiliser un diagramme de prédominance acido-basique.

Conseils du correcteur

Partie 1

11. Utilisez les lois de conservation.

Partie 2

2 Pensez au diagramme de prédominance.

Corrigé

1. activité enzymatique de l’uréase

11. Écrire l’équation de réaction entre l’eau et l’urée

 

Attention

Bien équilibrer l’équation.

L’urée réagit avec l’eau pour former de l’ammoniac et du dioxyde de carbone, donc l’équation de cette réaction est :

NH2—CO—NH2+ H2O → 2NH3+ CO2

2. Définir un temps de demi-réaction

Le temps de demi-réaction est la durée nécessaire pour que l’avancement atteigne la moitié de sa valeur finale.

3. Comparer des résultats

D’après les données expérimentales, on remarque que la présence de l’uréase augmente considérablement la vitesse de la réaction puisque cette dernière s’effectue en 2 × 10–5 s au lieu de 60 ans !

Un catalyseur est une espèce chimique capable d’accélérer une réaction, cela semble être le cas de l’uréase pour cette réaction.

Il faudrait tout de même s’assurer que l’uréase n’a pas été consommée lors de cette réaction pour la considérer complètement comme un catalyseur.

21. Connaître l’influence de la température sur les réactions chimiques

La température est un facteur cinétique pour les réactions chimiques. Son élévation a pour conséquence, en général, d’augmenter la vitesse de réaction.

2. Étudier l’influence de la température sur la cinétique d’une réaction

D’après le document 1, la température a une influence sur l’activité de l’uréase, donc sur la rapidité de la réaction (plus l’uréase est active, plus la réaction est rapide).

On remarque de plus que l’uréase est plus active pour une température de 60 °C. En deçà et au-delà de cette température, la réaction se fait moins rapidement.

3. Comparer des résultats

D’après le texte introductif, la réaction envisagée se produit au sein d’un des replis de la molécule uréase. De plus, ces replis se forment « plus ou moins facilement suivant la température ».

Nous pouvons donc conclure que c’est à la température de 60 °C que l’uréase forme un maximum de liaisons hydrogène qui vont permettre la construction d’une structure tridimensionnelle avec de nombreux replis.

À cette température, l’uréase a donc un maximum d’activité et la réaction est la plus rapide.

2. l’uréase dans le milieu stomacal

1 Calculer le pH d’une solution d’acide fort

 

Notez bien

La relation pH = – log C n’est pas valable lorsque l’acide est faible.

Par définition, le pH d’une solution est donné par pH = – log [H3O+].

Or un acide fort se dissocie totalement donc pH =- log CC est la concentration apportée en acide.

Ici, C= 1,0 × 10–2 mol . L–1 donc pH = – log 1,0 × 10–2= 2.

2 Déterminer une espèce chimique prédominante

D’après le diagramme de prédominance ci-dessous, c’est la forme acide du couple NH4+ / NH3 qui prédomine lorsque le pH est égal à 2, donc c’est NH4+.


 

3 Comprendre l’influence de la libération d’une base dans un milieu biologique

L’ammoniac étant une base, elle réagit avec les ions hydronium H3O+ et sa sécrétion consomme les ions H3O+. La concentration de ces ions est donc plus faible et, par conséquent, le pH est plus élevé.

4 Exploiter des documents

L’estomac a un pH proche de 2. Or à cette valeur de pH, l’activité de l’uréase est nulle comme l’atteste le document 2. La réaction de production d’ammoniac à partir de l’urée n’est donc pas du tout catalysée et a un temps de demi-réaction de l’ordre de 60 ans.