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STAGE - CINÉTIQUE, CATALYSE ET VITESSE DE RÉACTION

Exercice d'application


Comprendre : Temps, mouvement et évolution

  • Exercice : Cinétique - L'uréase

    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).

    urease1.png
    Haricot sabre

    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-contre). La réaction, que catalyse l’enzyme, se produit au sein de l’un de ces replis appelé alors site actif.

     

    urease_2.png
    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 : $H_3O^+$(aq) / $H_2O$ (l) ; $NH_4^+$ (aq) / $NH_3$ (aq)

    $pKa$ du couple $NH_4^+$ (aq) / $NH_3$ (aq) $= 9,2$

     

    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 $20 mmol.L^{-1}$)

     

    Activité relative (en pourcentage) de l'uréase en fonction de la température

    urease3.png

    http://www.toyobospusa.com/enzyme-URH-201.html

     

    Document 2 : Influence du pH sur l’activité enzymatique

    Condition expérimentale : température $\theta$ = $30$°C

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

    urease4.png

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

     

    Partie I - Activité enzymatique de l’uréase

    L’urée ($NH_2 – CO – NH_2$) réagit avec l’eau pour former de l’ammoniac $NH_3$ 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 $2 \times 10^{-5}$ s.

     

    1) L’uréase, un catalyseur.

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

    B) Rappeler la définition du temps de demi-réaction.

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

     

    2) Effet de la température sur l’activité enzymatique.

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

    B) En utilisant le document 1, décrire l’influence de la température sur la cinétique de la réaction catalysée.

    C) À l’aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général (question 2) A)) et celui décrit à la question 2) B) ?

     

    Partie II - 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 ».

    urease5.png

    Helicobacter pylori

     

    1) Le contenu de l’estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d’acide chlorhydrique de concentration $1,0 \times 10^{-2}$ mol/L. Sachant que l’acide chlorhydrique est un acide fort, calculer le $pH$ de ce milieu.

     

    2) À ce $pH$, quelle espèce chimique du couple $NH_4^+$ (aq) / $NH_3$ (aq) 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 $H_3O^+$ selon l’équation chimique : $NH_3 (aq) + H_3O^+ (aq)  NH_4^+ (aq) + H_2O (l)$.

    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 ?

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