Un catalyseur enzymatique, l'uréase (sujet national, juin 2013, exercice 1)

Énoncé

Un catalyseur enzymatique, l'uréase
L'uréase est une enzyme isolée par James 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.
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 : \mathrm {H_3O^+_{(aq)}\,/\,H_2O(\ell)} ; \mathrm {NHa^+_4(aq)\,/\,NH_3(aq)} ;
  • pKa du couple \mathrm {NHa^+_4(aq)\,/\,NH_3(aq)}=9,2 .
Sujet national, juin 2013, exercice 1 - illustration 1
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
Activité relative (en pourcentage) de l'uréase en fonction de la température
Document 2
Influence du pH sur l'activité enzymatique
« Condition expérimentale : température θ  = 30 °C. »

Activité relative (en pourcentage) de l'uréase en fonction du pH
Activité relative (en pourcentage) de l'uréase en fonction du pH
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 2\,\times\,10^{-5}\,\mathrm s.
1. 
L'uréase, un catalyseur
a) 
Écrire l'équation de la réaction chimique entre l'urée et l'eau.
Identifiez les réactifs et produits à l'aide du texte d'introduction. Ajustez les coefficients stœchiométriques afin d'équilibrer l'équation et précisez les états physiques des différentes espèces (liquide, gaz, aqueux…).
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 ?
Comparez le temps de demi-réaction en présence et en absence d'uréase.
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.
Décrivez l'évolution de l'activité relative en fonction de la température et déduisez-en celle de la vitesse de la réaction.
c) 
À l'aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général décrit à la question a) et celui décrit à la question b) ?
D'après le texte, l'activité enzymatique est liée à la présence de sites actifs induits par la formation de liaisons hydrogène, sensibles à la température.
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 ».
Sujet national, juin 2013, exercice 1 - illustration 4
3. Le contenu de l'estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d'acide chlorhydrique de concentration 1,0  ×  10−2 mol.L−1. Sachant que l'acide chlorhydrique est un acide fort, calculer le pH de ce milieu.
4. 
À ce pH, quelle espèce chimique du couple \mathrm {NH{_4^+}(aq)\,/\,NH_3(aq)} prédomine ? Justifier la réponse.
Établissez le diagramme de prédominance du couple \mathrm {NH{_4^+}(aq)\,/\,NH_3(aq)}).
5. 
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 : \mathrm {NH_3(aq)+H_3O^+(aq)\leftrightarrows NH{_4^+}(aq)+H_2O(\ell)}.
Quelle est la conséquence de la sécrétion d'ammoniac par la bactérie sur le pH de la solution autour d'elle ?
Commencez par déterminer l'influence de la production d'ammoniac sur la concentration en ions H3O+, puis sur le pH.
6. 
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 ?
Déterminez l'activité enzymatique de l'uréase au pH de l'estomac à l'aide du document 2.

Corrigé

Activité enzymatique de l'uréase
1. 
L'uréase, un catalyseur
a) L'urée réagit avec l'eau pour former de l'ammoniac et du dioxyde de carbone selon l'équation :
\mathrm {NH_{2}-CO-NH_{2}(aq)+H_{2}O(liq) \rightarrow 2NH_{3}(aq)+CO_{2}(g)}
b) Le temps de demi-réaction t1/2 est la durée nécessaire pour que l'avancement atteigne la moitié de sa valeur finale :
x(t_{1/2})=\frac{x_{f}}{2}.
c) En présence d'uréase, le temps de demi-réaction est de 2.10−5 s au lieu de 60 ans en l'absence d'uréase. L'uréase permet donc de diminuer très fortement le temps de demi-réaction, et donc la durée de la transformation. De plus, l'uréase n'apparaît pas dans l'équation-bilan de la transformation. Il s'agit donc d'un catalyseur.
2. 
Effet de la température sur l'activité enzymatique
a) La température est un facteur cinétique : en général, une élévation de la température entraîne une diminution de la durée de la transformation.
b) D'après le document 1, l'activité relative de l'uréase varie en fonction de la température : elle augmente de 30 à 60 °C, puis diminue. Or, plus l'activité est grande, plus la réaction est rapide : la vitesse augmente donc de 30 à 60 °C, puis diminue.
c) Contrairement au cas général, au-delà de 60 °C, l'augmentation de la température entraîne une diminution de la vitesse de la réaction. D'après le texte introductif, la réaction se produit au niveau de sites actifs liés à la présence de liaisons hydrogène, dont la formation dépend de la température. Une température trop élevée pourrait défavoriser la formation des liaisons hydrogène, diminuant ainsi le nombre de sites actifs et donc l'activité enzymatique.
L'uréase dans le milieu stomacal
3. L'acide chlorhydrique de concentration Ca = 1,0.10−2 mol.L−1 est un acide fort, le pH du milieu est donc :
\mathrm {pH=-log\,\mathit C_{a}=-log(1,0.10^{-2})=2,0}
4. Établissons le diagramme de prédominance du couple \mathrm {NH{_4^+}(aq)\,/\,NH_3(aq)} :
Sujet national, juin 2013, exercice 1 - illustration 5
Le pH du milieu stomacal est de 2 : à ce pH, c'est l'espèce acide \mathrm {NH{_4^+}} qui prédomine.
5. L'ammoniac séecrété par la bactérie réagit avec les ions H3O+ présents dans l'estomac, donc la concentration en ions H3O+ diminue.
Or, \mathrm {pH=-log[H_{3}O^{+}]}, donc le pH augmente localement autour de la bactérie.
6. Le document 2 présente l'influence du pH sur l'activité de l'uréase. À pH 2, l'activité est nulle, l'uréase seule ne peut donc pas catalyser la réaction dans l'estomac.