Toxicodynamics of Domoic Acid

Nom :
Prénom :
Classe :
Toute espèce chimique naturelle est elle bonne ?
- L’acide glutamique est le principal excitateur des neurotransmetteurs dans le système nerveux central. Il
vient se fixer sur un récepteur spécifique au niveau de l’hippocampe des mammifères (site de commande de
stockage de la mémoire), excite les neurones correspondants puis est libéré du récepteur par une enzyme.
- L’acide kaïnique est une toxine, qui consommée, est absorbée par la muqueuse gastro-intestinale et atteint
lentement sa cible au niveau du système nerveux central où il se fixe sur un des récepteurs de l'acide
glutamique. Si l’acide kaïnique se lie très facilement à ces récepteurs, contrairement à l’acide glutamique,
l’enzyme naturel ne peut le «décrocher» du récepteur.
Une fois fixé, l’acide kaïnique surexcite les neurones amenant chez les mammifères à une crise d’épilepsie
puis à moyen terme à une destruction d’une partie de l’hippocampe.
- De même, l’acide domoïque, qui possède une structure similaire à l’acide kaïnique, a un pouvoir excitateur
des neurotransmetteurs encore plus puissant dans le modèle animal.
Sont représentés ci dessous les formules topologiques de ces 3 espèces chimiques :
HO
OH
H
N
O
H3C
O
OH
O
O
Acide domoïque
O
OH
H2C
CH3
CH3
OH
H2N
O
OH
Nom :
OH
H
N
O
Acide kaïnique
Acide glutamique
I) L’acide glutamique :
1) Déterminer la masse molaire de l’acide glutamique. (/ 1)
2) a) Déterminer la masse molaire de l’alcane possédant le même nombre d’atomes de carbone. (/0,5)
b) Quel est l’état physique de cet alcane à température de 25°C et à une pression de 1013 hPa ? (/0,5)
II) Quelques comparaisons entre les 3 molécules :
3) Pour quelle raison d’après vous ces 3 molécules sont à l’état solide, à température de 25°C et à
une pression de 1013 hPa ? (/ 1)
4) Comment peut on expliquer que ces 3 molécules soient très solubles dans l’eau et donc peuvent être
véhiculées facilement par le sang jusqu’au cerveau ? (/ 1)
5) Entourer la partie commune à ces 3 molécules et nommer les fonctions apparaissant sur ces fragments de
chaîne en utilisant les notions de 1 ère S. (/ 0,5+ 0,5)
6) a ) Proposer un protocole expérimental d’un test chimique permettant de différencier l’acide
glutamique des acides kaïnique et domoïque en précisant quelle fonction particulière est touchée. (/ 1)
b) Cette méthode est elle applicable pour distinguer les acides kaïnique et domoïque ? (/ 1)
III) L’acide kaïnique :
A) Cette espèce peut être synthétisée artificiellement. Une des étapes de synthèse est la suivante :
CH3
CH3
O
H3C
H
O
O
H3C
H
H
O
H
HO
O
O
H2C
O
O
N
H
O
H3C
N
H
O
H3C
A
7) a) Entourer dans le réactif et dans le produit le fragment de la molécule touché lors de la réaction. (/ 0,5)
b) De quelle type de réaction s’agit il dans cette étape :
une addition, une substitution ou une élimination ? Argumenter. (/ 1)
8) Entourer d’une autre couleur la fonction alcool du réactif A.
Quelle est la classe de cet alcool ? Argumenter (/ 0,5+1)
9) On désire réaliser l’oxydation du réactif A en présence d’une solution aqueuse et acide de permanganate de
potassium diluée, ce réactif étant en défaut.
a) Dire quelle nouvelle fonction sera obtenue après synthèse. (/ 1)
b) En prenant comme formule brute pour le réactif A : C12H19NO6 , compléter les équations de demie réaction
électronique pour A et pour l’ion permanganate puis l’équation de réaction d’oxydation du réactif A.
On considérera ici que le couple oxydant/réducteur correspondant à l’ion permanganate est : MnO4-aq / Mn2+aq
(/ 0,5 + 0,5 + 1)
Demi équation d’oxydation :
C12H19NO6 aq →
Demi équation de réduction :
MnO4 - aq
→ Mn 2+aq
Equation de réaction :
…
→ …
B) L’acide kaïnique a été isolé en 1953 au Japon dans l’algue marine « Digenea simplex »
Cet acide possède un isomère de formule topologique :
OH
H
N
O
OH
H2C
CH3
O
Cet isomère a une activité neuroexcitatrice bien plus faible que l’acide kaïnique.
En répondant aux 2 questions suivantes, on peut entrevoir à quoi cela est du :
10) Que représentent les traits gras et en pointillés sur les formules topologiques ? (/ 0,5)
On considérera que le cycle azoté décrit le plan de la feuille.
11) Rappeler la définition d’un isomère puis dire de quel type d’isomérie il s’agit ici. Argumenter. (/1+1)
L’acide domoïque :
12) Donner la configuration de la double liaison indiquée par « la bulle ». Argumenter. (/ 0,5+ 1)
HO
H
N
O
OH
H3C
O
OH
CH3
O
La photo ci jointe correspond à l’affiche du film d’Alfred Hitchcock :
« Les oiseaux »
L’histoire est basée sur un fait divers qui a eu lieu dans la région de Monterey
Bay en 1961.
On remarqua que les oiseaux marins avaient un comportement des plus
étranges, ils s’écrasaient sur les murs des maisons ou attaquaient la
population. Ce phénomène s’est reproduit en 1991.
On a proposé, vu l’état actuel de nos connaissances que cela était du au
pouvoir toxique de l’acide domoïque.
13) En utilisant le document annexe suivant provenant de l’IFREMER, expliquer comment les oiseaux ont pu
être intoxiqués et l’effet de l’acide domoïque sur ces animaux. (/ 1+ 1)
14) Comment d’après vous a-t-on pu confirmer la voie d’intoxication de ces oiseaux par l’acide domoïque ?
(/ 1)
Document annexe :
Guide pour les toxines amnésiantes (ASP) mai 2003
Article trouvé sur : http://www.ifremer.fr/envlit/documentation/documents.htm#1
Historique
Les premiers cas d’intoxications se sont déclarés fin 1987 lorsque de graves
empoisonnements alimentaires alarmèrent la population canadienne.
145 personnes, ayant consommé des moules récoltées dans l'estuaire de l'Ile-du-Prince Edouard,
présentèrent des troubles digestifs, neurologiques et surtout une perte de mémoire. Parmi ces
victimes, quatre personnes sont mortes et d'autres ont présenté des séquelles neurologiques
permanentes (Bates 1989; Smith 1993).
Ce nouveau syndrome est connu sous la dénomination anglosaxonne d'Amnesic Shellfish
Poisoning (ASP). Un nom et une abréviation française ont été également donnés : Intoxication
Amnésiante par Fruits de Mer (IAFM).
Données physico-chimiques
Après des recherches intensives, la phycotoxine responsable de ces intoxications
amnésiantes a été identifiée comme étant l'acide domoïque (Wright et al., 1989), composé
précédemment isolé au Japon, à partir de l'algue rouge Chondria armata domoi (Takemoto
et Daigo, 1958).
Activité toxique
Les premiers symptômes, de type gastro-intestinal (vomissements, diarrhées, nausées...)
surviennent dans un délai de 2 à 24 heures après consommation des moules contaminées.
Entre 24 et 48 heures, ce sont des symptômes neurologiques qui sont observés (maux de
tête persistants, désorientation et une confusion).
Dans les cas les plus graves, il apparaît une perte de mémoire, des dommages cérébraux et
parfois des convulsions et un coma pouvant conduire à la mort (Olney, 1994).
Les fruits de mer intervenant dans les premiers cas d'intoxications de 1987 au Canada,
étaient des moules, mais la toxine mise en cause a également été retrouvée dans d'autres
bivalves (coques, palourdes, couteaux...).
L’acide domoïque peut s’accumuler également dans d’autres organismes marins non filtreurs
comme par exemple les anchois. S’il est sans effet sur ces derniers, il peut être mortel pour les
oiseaux marins qui les consomment.
Détection
Ifremer a retenu la méthode suivante appelée « méthode de Quilliam » (1995) :
L'extraction est réalisée avec du méthanol 50 % suivie d’une étape de purification sur
cartouche échangeuse d’anions et d’une analyse par CLHP/UV *.
Un résultat est considéré comme positif lorsque l’échantillon contient plus de 20 µg d’acide
domoïque/g de chair.
Situation en France
La France n’est pas à l’abri de la dissémination mondiale de ces toxines (via les eaux de ballast,
transferts de coquillages…) puisqu’en 1998, des traces d’acide domoïque ont été détectées dans
les glandes digestives de moules en provenance des côtes d’Armor liées à la présence locale de P.
pseudodelicatissima (clone producteur de l’acide domoïque au Canada). En 1999, année de mise
en place de la surveillance des toxines amnésiantes, seules des traces de toxines largement
inférieures au seuil de sécurité sanitaire ont été mises en évidence dans des bivalves en
provenance de différents sites de la Bretagne, de la Charente Maritime et de la Méditerranée (Amzil
et Motteau, 2000). Par contre, durant le mois de mai 2000, les taux de toxines ASP ont dépassé le
seuil de sécurité sanitaire en Bretagne ouest, avec des maxima de 53 µg et 32 µg d’acide
domoïque par g de chair, respectivement dans des donax (Donax trunculus) et des moules (Amzil ,
2001).
* Chromatographie Liquide Haute Performance, avec détection UV à 242 nm (longueur d’onde
d’absorption des doubles liaisons conjuguées de l'acide domoïque).
Nom :
Prénom :
Classe :
Toute espèce chimique naturelle est elle bonne ?
- L’acide glutamique est le principal excitateur des neurotransmetteurs dans le système nerveux central. Il
vient se fixer sur un récepteur spécifique au niveau de l’hippocampe des mammifères (site de commande de
stockage de la mémoire), excite les neurones correspondants puis est libéré du récepteur par une enzyme.
- L’acide kaïnique est une toxine, qui consommée, est absorbée par la muqueuse gastro-intestinale et atteint
lentement sa cible au niveau du système nerveux central où il se fixe sur un des récepteurs de l'acide
glutamique. Si l’acide kaïnique se lie très facilement à ces récepteurs, contrairement à l’acide glutamique,
l’enzyme naturel ne peut le «décrocher» du récepteur.
Une fois fixé, l’acide kaïnique surexcite les neurones amenant chez les mammifères à une crise d’épilepsie
puis à moyen terme à une destruction d’une partie de l’hippocampe.
- De même, l’acide domoïque, qui possède une structure similaire à l’acide kaïnique, a un pouvoir excitateur
des neurotransmetteurs encore plus puissant dans le modèle animal.
Sont représentés ci dessous les formules topologiques de ces 3 espèces chimiques :
HO
OH
H
N
O
H3C
OH
H
N
O
O
OH
Nom :
OH
O
O
Acide domoïque
O
OH
H2C
CH3
CH3
OH
H2N
O
Acide kaïnique
Acide glutamique
I) L’acide glutamique :
1) Déterminer la masse molaire de l’acide glutamique. (/ 1)
2) a) Déterminer la masse molaire de l’alcane possédant le même nombre d’atomes de carbone. (/0,5)
b) Quel est l’état physique de cet alcane à température de 25°C et à une pression de 1013 hPa ? (/0,5)
II) Quelques comparaisons entre les 3 molécules :
3) Pour quelle raison d’après vous ces 3 molécules sont à l’état solide, à température de 25°C et à
une pression de 1013 hPa ? (/ 1)
4) Comment peut on expliquer que ces 3 molécules soient très solubles dans l’eau et donc peuvent être
véhiculées facilement par le sang jusqu’au cerveau ? (/ 1)
5) Entourer la partie commune à ces 3 molécules et nommer les fonctions apparaissant sur ces fragments de
chaîne en utilisant les notions de 1 ère S. (/ 0,5+ 0,5)
6) a ) Proposer un protocole expérimental d’un test chimique permettant de différencier l’acide
glutamique des acides kaïnique et domoïque en précisant quelle fonction particulière est touchée. (/ 1)
b) Cette méthode est elle applicable pour distinguer les acides kaïnique et domoïque ? (/ 1)
III) L’acide kaïnique :
A) Cette espèce peut être synthétisée artificiellement. Une des étapes de synthèse est la suivante :
CH3
O
H3C
H
HO
O
H3C
H
+
+ 2H
H2C
O
N
H
aq
+ 2Cl
H
O
H
reflux
aq
+ 2 ...
H2C
O
N
H
O
OH
H3C
A
B
nom de C :
7) a) Entourer dans le réactif le(s) fragment(s) de la molécule touché(s) lors de la réaction. (/ 0,5)
b) De quelle type de réaction s’agit il dans cette étape :
une addition, une substitution ou une élimination ? Argumenter. (/ 1)
c) Donner la formule et le nom de l’autre produit C obtenu qui est une espèce organique covalente et
complétant l’équation de réaction ci dessus. (/ 1)
8) Par hydratation de B en milieu acide, on obtient 2 alcools différents
a) De quelle type de réaction s’agit il dans cette étape :
une addition, une substitution ou une élimination ? Argumenter. (/ 0,5)
b) Dire pourquoi on obtient 2 alcools et non un seul. (/ 1)
c) Donner la formule topologique des 2 alcools obtenus, entourer ces fonctions dans chaque formule
topologique, donner la classe de ces alcools. Argumenter (/ 2)
B) L’acide kaïnique a été isolé en 1953 au Japon dans l’algue marine « Digenea simplex »
Cet acide possède un isomère de formule topologique :
OH
H
N
O
OH
H2C
CH3
O
Cet isomère a une activité neuroexcitatrice bien plus faible que l’acide kaïnique.
En répondant aux 2 questions suivantes, on peut entrevoir à quoi cela est du :
9) Que représentent les traits gras et en pointillés sur les formules topologiques ?
On considérera que le cycle azoté décrit le plan de la feuille. (/ 0,5)
10) Rappeler la définition d’un isomère puis dire de quel type d’isomérie il s’agit ici. Argumenter. (/1+1)
L’acide domoïque :
11) Donner la configuration de la double liaison indiquée par « la bulle ». Argumenter. (/ 0,5+1)
HO
H
N
O
OH
H3C
O
OH
CH3
O
La photo ci jointe correspond à l’affiche du film d’Alfred Hitchcock :
« Les oiseaux »
L’histoire est basée sur un fait divers qui a eu lieu dans la région de Monterey
Bay en 1961.
On remarqua que les oiseaux marins avaient un comportement des plus
étranges, ils s’écrasaient sur les murs des maisons ou attaquaient la
population. Ce phénomène s’est reproduit en 1991.
On a proposé, vu l’état actuel de nos connaissances que cela était du au
pouvoir toxique de l’acide domoïque.
12) En utilisant le document annexe suivant provenant de l’IFREMER, expliquer comment les oiseaux ont pu
être intoxiqués et l’effet de l’acide domoïque sur ces animaux. (/ 1+1)
13) Comment d’après vous a-t-on pu confirmer la voie d’intoxication de ces oiseaux par l’acide domoïque ?
(/ 1)
Correction : ½ heure pour le prof
I) L’acide glutamique :
1) Déterminer la masse molaire de l’acide glutamique. (/ 0,5) formule brute (/ 0,5) masse molaire
OH
C’est l’acide 2-aminopentanedioique
Car la chaîne la plus longue est à 5
atomes de carbone, la fonction amine est
en position 2
H2N
Fonction amine
2
1
O
Molecular Formula = C5 H9 N O4
OH
Formula Weight
= 147.129
(2R)-2-aminopentanedioic acid
Fonction acide carboxylique
O
2) a) Masse molaire de C5H12 : M(C5H12 ) = 12*5 + 12 = 72 g/mol. (/ 0,5)
b) (/ 0, 5) Le pentane est à l’état liquide à température de 25°C et à une pression de 1013 hPa .
II) Quelques comparaisons entre les 3 molécules :
3) Raison ces 3 molécules sont à l’état solide, à température de 25°C et à une pression de 1013 hPa ? (/1)
La masse molaire de ces molécules est + forte que celle de l’alcane correspondant qui se trouve à l’état
liquide, de plus ces molécules sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène. Chaque molécule
contient 3 fonctions permettant ces liaisons : la fonction amine (-C-NH- ) et les 2 fonctions acide
carboxylique(-COOH ). Les interactions entre les molécules deviennent suffisamment fortes pour que
celles-ci se trouvent à l’état solide à température et pression ordinaire. DESSIN A SAVOIR FAIRE
4) Comment expliquer que ces 3 molécules soient très solubles dans l’eau : (/1) Ces molécules sont très
solubles dans l’eau, fortement solvatées, à cause des multiples liaisons hydrogène qu’elles peuvent
former avec les molécules d’eau. DESSIN A SAVOIR FAIRE
5) Partie commune à ces 3 molécules et fonctions sur ce fragment. (/ 0,5+ 0,5) partie commune à ces 3
molécules : identique à celle de l’acide glutamique (hydrogène porté par la fonction amine en moins)
6) a ) Protocole expérimental d’un test chimique permettant de différencier l’acide glutamique des acides
kaïnique et domoïque , quelle fonction est touchée ?(/ 1) L’acide glutamique ne contient pas la fonction
alcène contrairement aux acides domoique et kainique .En dissolvant dans un tube à essai quelques
cristaux de ces acides et en ajoutant 1 mL de solution aqueuse diluée de dibrome (jaune / orangée
initialement), le mélangé deviendra incolore après agitation, le Br2 s’étant fixé sur la double liaison.
b) Méthode applicable pour distinguer les 2 acides ? (/ 1) Elle permet aussi de différencier les 2 acides
car l’acide domoique est susceptible de réagir avec 2 fois plus de molécules de dibrome que l’acide
kainique puisque l’acide domoique possède 2 doubles liaisons. On peut remarquer aussi que l’acide
domoique possède 1 fonction acide carboxylique supplémentaire ce qui par un titrage devrait
permettre de le différencier de l’acide kainique (voir programme Terminale)
III) L’acide kaïnique :
A) Cette espèce peut être synthétisée artificiellement. Une des étapes de synthèse est la suivante :
CH3
CH3
O
H3C
H
O
O
H3C
H
H
O
H
HO
O
O
H2C
O
O
N
H
O
H3C
N
H
O
H3C
+ H2O
A
7) a) Entourer dans le réactif et dans le produit le fragment de la molécule touché lors de la réaction. (/ 0,5)
b) Il s’agit dans cette étape d’une réaction d’élimination car 2 produits sont formés (dont un ici est de
l’eau, d’où le nom de réaction de déshydratation) à partir d’un seul réactif. (/ 1)
8) Entourer d’une autre couleur la fonction alcool du réactif A. Classe de cet alcool : primaire car l’atome
de carbone qui porte le groupement hydroxyle OH n’est lié qu’à un seul groupement substituant (et
donc à 2 atomes d’hydrogène) + argument. (/ 0,5+1)
9) a) Fonction obtenue après oxydation du réactif A en présence de permanganate en défaut : aldéhyde (/ 1)
b) En prenant comme formule brute pour le réactif A : C12H19NO6 , compléter les équations de demie réaction
(/ 0,5 + 0,5 + 1)
Demi équation d’oxydation :
5 ( C12H19NO6 aq → C12H17NO6 aq + 2 H+zq + 2 e- )
Demi équation de réduction :
2 ( MnO4 - aq + 8 H+ aq + 5 e- → Mn 2+ aq + 4 H2O l)
Equation de réaction : 5 C12H19NO6 aq + 2 MnO4 - aq + 6 H+ aq → 5 C12H19NO6 aq + 2 Mn 2+ aq + 8 H2O l
A) Cette espèce peut être synthétisée artificiellement. Une des étapes de synthèse est la suivante :
CH3
O
H3C
H
HO
O
H3C
H
+ H+ aq + Cl-
H2C
O
H
reflux
aq
H2C
O
N
H
H
O
N
H
O
OH
+ 2 CH3Cl
monochlorométhane
H3C
A
B
7) a) Entourer dans le réactif le(s) fragment(s) de la molécule touché(s) lors de la réaction. (/ 0,5)
b) Il s’agit il dans cette étape d’une réaction de substitution car un groupement CH3 est remplacé par un
atome d’hydrogène par rapport à la molécule initiale de réactif. (/ 0,5) c) Formule et nom de l’autre
produit obtenu (espèce organique covalente). (/ 0,5) 8) a) Lors de l’hydratation de B en milieu acide, il s’agit
dans cette étape d’une réaction d’addition, car une molécule (d’eau ici) s‘est fixée sur la double liaison
C=C du composé B, à partir de 2 molécules de réactifs on obtient (si le composé est symétrique) une
seule molécule de produit.(/ 0,5)
b) On obtient 2 alcools et non un seul. (/1) car l’alcène ici (au niveau de la double liaison) n’est pas
symétrique) c) Formule topo 2 alcools, entourer et donner la classe de ces alcools + argument. (/ 2)
Classe : primaire:
tertiiaire
HO
H3C
H
HO
O
H3C
H
H
O
H
HO
HO
H3C
O
O
N
H
N
H
OH
OH
isomère de l’acide kaïnique.
OH
H
N
OH
H
N
O
O
OH
H2C
CH3
OH
H2C
CH3
O
l’acide kaïnique
10) (/ 0,5) On considère que le cycle azoté décrit le plan de la feuille. Sur les formules topologiques, sont
représentées en traits gras les liaisons au dessus du plan, en pointillés celles en dessous du plan.
11) Définition d’un isomère puis dire de quel type d’isomérie il s’agit ici. (/0,5 1) 2 isomères sont des
molécules qui possèdent la même formule brute mais qui diffèrent par leurs fonctions, la position des
groupements le long de la chaîne carbonée la position des fonctions ou par les positions spatiales
relatives des groupements : c’est le cas ici. Ce sont de s isomères spatiaux ou stéréo-isomères.
O
L’acide domoïque : 12) Configuration de la double C=C indiquée par « la bulle ». Argumenter. (/ 1+ 1)
HO
H
N
O
OH
HO
H
N
O
H3C
O
OH
H3C
O
OH
OH
Z
CH3
O
E
CH3
O
On regarde où se situe les groupements (les plus volumineux portés par chaque atome de carbone
doublement lié) par rapport à l’axe de la double liaison : si ces groupements sont différents et s’ils se
trouvent du même côté de l’axe de la double liaison, la configuration de la C=C est Z, autrement E.
13) En utilisant le document annexe suivant provenant de l’IFREMER, expliquer comment les oiseaux ont pu
être intoxiqués et l’effet de l’acide domoïque sur ces animaux. (/ 1+ 1) Les oiseaux marins consomment des
anchois eux mêmes porteurs de l’acide domoique qu’ils ont ingérés et non digérés. L’acide domoique
provoque alors chez les oiseaux des troubles neurologiques qui les conduisent à commettre des actes
indépendants de leur volonté (ou de leur nature). 14) Comment d’après vous a-t-on pu confirmer la voie
d’intoxication de ces oiseaux par l’acide domoïque ? (/ 1) L’autopsie de ces oiseaux marins « devenus
fous » a permis la découverte dans leurs estomacs de reste d’anchois contaminés par l’acide domoique).