2013 −
BACCCALAURÉAT
F
RANCE
.
S
CIENCES PHYSIQUES
.
C
ORRIGÉ
EXERCICE I : UN CATALYSEUR ENZYMATIQUE, L’URÉASE
1. Activité enzymatique de l’uréase
1.1. L’uréase, un catalyseur
1.1.1.
1.1.2. Le temps de demi-réaction, noté t
½
, est la durée pour laquelle l’avancement de la réaction prend la
moitié de sa valeur finale, sous réserve que le système n’évolue plus à la date t = t
final
qui signe la fin de
l’étude du système. Si la transformation chimique est totale, le temps de demi-réaction, noté t
½
, est aussi la
durée nécessaire pour que la moitié de la quantité initiale du réactif limitant ait disparu.
1.1.3. La valeur du temps de demi-réaction permet de juger de la vitesse d’évolution du système chimique
étudié ; un catalyseur doit permettre d’observer une évolution plus rapide du système chimique dans lequel il
a été placé.
En présence d’uréase, le temps de demi-réaction est singulièrement plus faible (2
⋅
10
− 5
s) qu’en son absence
(60 ans !). Cette évolution nettement plus rapide témoigne du rôle de l’uréase en tant que catalyseur de la
réaction
1.2. Effet de la température sur l’activité enzymatique
1.2.1. La température est un exemple de facteur cinétique : son augmentation doit permettre d’accroître le
nombre de chocs efficaces entre particules constituant les réactifs : la transformation doit évoluer plus
rapidement.
1.2.2. Le document 1 montre qu’ici la température n’est pas un simple facteur cinétique : son augmentation,
du moins jusqu’à 60 °C, permet d’augmenter « l’activité » de l’uréase, ce qui rend la réaction plus rapide.
Mais au-delà de 60 °C, c’est l’effet inverse qui se produit : « l’activité » de l’uréase diminue quand la
température croît, ce qui diminue l’efficacité du catalyseur : la réaction est certes beaucoup plus rapide qu’en
l’absence d’uréase, mais dans des proportions moindres que pour la température optimale proche de 60 °C.
1.2.3. Une élévation de la température entraîne des modifications des conformations et même des
configurations de la structure de l’uréase ; en effet, dès que la température franchit un seuil suffisant (au-delà
de 60 °C), l’agitation thermique tend à rompre les liaisons hydrogène qui favorisent la formation
tridimensionnelle à replis de l’uréase ; la destruction de ces « replis » éliminent les sites « actifs » du
catalyseur qui ne joue plus alors son rôle. On dit qu’à haute température, l’enzyme subit une dénaturation.
2. L’uréase dans le milieu stomacal
2.1. • Le pH est relié à la concentration en ions
H
+ (aq)
d’une solution (ou celle en
H
3
O
+ (aq)
dans le
formalisme de Bronsted) selon la relation pH = − log [
H
3
O
+
].
Remarque : plus exactement, pH = − log [
H
3
O
+
]
c
0
avec c
0
concentration de référence qui vaut 1 mol
⋅
L
− 1
.
• Un acide fort en solution, tel l’acide chlorhydrique
HCl
, est totalement dissocié dans l’eau. La réaction
HCl
(aq)
+ H
2
O → H
3
O
+
(aq)
+ Cl
−
(aq)
est totale.
À l’état final, on a alors [
H
3
O
+
] = [
HCl
]
ini
= C, et donc pH = − log
C, soit ici : pH = − log
(1,0
×
10
− 2
) = 2,0.
2.2. Pour tout couple acide
/
base, noté A
/
B, on a la relation suivante : pH = pK
a
+ log
[B]
[A]
, où K
a
est la
constante d’acidité de ce couple. Si pH << pK
a
,
[B]
[A]
<< 1 : la forme « acide » est majoritaire.
Pour le couple
NH
4+
/
NH
3
, pK
a
= 9,2 et donc, à pH = 2,0, c’est l’espèce ion ammonium
NH
4+
qui domine en
phase aqueuse.
2.3.
NH
3 (aq)
+ H
3
O
+
(aq)
←
→
NH
4+
(aq)
+ H
2
O (l)
est un exemple de réaction acide base entre les couples
H
3
O
+
/ H
2
O et NH
4+
/ NH
3
où les espèces surlignées sont les réactifs introduits. Cette transformation tend à
éliminer l’excès d’ions
H
3
O
+
présents qui traduit l’acidité du milieu stomacal.
On observe alors, localement, une diminution de cette acidité et donc la valeur du pH tend à augmenter :
pH > 2,0 au voisinage de la bactérie.
2.4. Le document 2 montre qu’au pH initial du liquide stomacal (pH = 2), l’activité de l’uréase est nulle, à
θ
= 30 °C. La bactérie ne pourrait alors utiliser son uréase pour catalyser la réaction de l’urée avec l’eau qui
conduit au dégagement de gaz ammoniac
NH
3
,
dissous ensuite en solution. Le pH ne pourrait plus alors
remonter au-delà de 2 ! Il faut donc l’intervention d’autres entités chimiques pour assurer la catalyse de la
réaction de l’urée avec l’eau afin de produire
NH
3
.
NH
2
CNH
2
O
+
OH
2
NH
3
2
(g)
+
(g)
CO
2