Mines Chimie PC 2007

Thème de l'épreuve Étude de l'enzyme flavocytochrome b2. Synthèse d'un inhibiteur enzymatique.
Principaux outils utilisés atomistique, cinétique, oxydoréduction, chimie organique
Mots clefs enzyme, Michaelis, flavocytochrome, théorie de Marcus

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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A 2007 Chimie PC ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES, ECOLES NATIONALES SUPERIEURES DE L'AÉRONAUTIQUE ET DE L'ESPACE, DE TECHNIQUES AVANCÉES, DES TELECOMMUNICATIONS, DES MINES DE PARIS, DES MINES DE SAINT-ETIENNE, DES MINES DE NANCY, DES TELECOMMUNICATIONS DE BRETAGNE ECOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI) CONCOURS D'ADMISSION 2007 CHIÆ Filière : PC (Durée de l'épreuve : 4 heures) Sujet mis à disposition des concours : ENSTIM, INT, TPE-EIVP Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie CHIMIE 2007 - Filière PC L'usage d'ordinateur ou de calculette est interdit. L 'e'nonce' de cette épreuve, particulière aux candidats de la filière PC, comporte 14 pages. ' Les candidats pourront admettre tout résultat fourni dans l'énoncé, qu'ils n'auraient pas établi, mais qui serait utile dans la poursuite de l'épreuve. ' Les candidats ne devront pas hésiter à formuler des commentaires succincts qui leur sembleront pertinents, même si l'énoncé ne le demande pas explicitement, à condition qu'ils s'inscrivent dans le programme du concours et soient en rapport avec le problème posé. ' Le barème tiendra compte de la longueur de l'énoncé. ' Si, au cours de l'épreuve, le candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre. Page 1/14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC DEBUT DE L'ENONCE PARTIE A : Etude de l'enzyme flav0cyt0chrome b2 On s'intéresse a la structure et a quelques propriétés de l'enzyme flavocytochrome b2 de Saccharomyces Cerevisiae (levure de boulanger). Aucune connaissance relative a la chimie des enzymes n 'est requise a priori pour traiter cette partie. 1. Structure des enzvmes et propriétés L 'enzymeflavocytochrome b2 montre une activité catalytique en présence de deux coenzymes d'oxydoréduction : une flavine mononucléotide (notée FMN sous sa forme oxydée) et une métalloporphyrine (cytochrome b). Ces molécules, de faible masse moléculaire comparée a celle de l'enzyme, sont représentées ci-a'essous. OHO HO \/%O Cytoehrome b Figure la o:P--OH OH flavine mononueléotide (FMN) Figure lb Etude de la partie protéique de l'enzyme flav0cytochrome b2 Dans cette partie, on s'intéresse a la partie protéique de l'enzyme constituée par un enchaînement linéaire d'acides oc--aminés. Ces derniers ont en commun cl 'étre des molécules bifonctionnelles portant un groupement -NH2 sur le carbone porteur du groupe --COOH (appelé carbone oc). Page 2/14 Chimie 2007 Filière PC Leur formule générique est : O H2N--(l3H--C--OH R Le groupe R est un résidu variable que l 'on nomme chaîne latérale, par exemple dans le cas de l'alanine le groupe R est un méthyle, pour la sérine il s 'agit d 'un groupe --CH20H 1- Lors de la condensation de deux acides aminés, quelle est la fonction organique créée '? 2- Si on qualifie les protéines de polymères dont les unités de répétition sont les acides aminés, quel est alors leur polymolécularité '? 3- Citer et décrire brièvement les différentes forces intermoléculaires a l'origine de la structure tridimensionnelle des protéines. La réponse n'excédera pas une demi--page. Etude des coenzymes. Etude du cytochrome !) 4- Citer et énoncer les règles permettant d'établir la structure électronique d'un atome dans son état fondamental. En déduire la structure électronique de l'atome de fer dans son état fondamental (Z = 26). 5- Préciser la configuration électronique dans l'état fondamental de Fe2+ et de Fe3+_ 6- Préciser en le justifiant le degré d'oxydation du fer dans le cytochrome b. On donne ci- dessous la formule de la molécule de cytochrome b non métallé. NB : le cytochrome b est électriquement neutre. Page 3/14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC OHO Etude de la avine mononucléotide FMN La flavine mononucléotide (FMN) se rencontre sous trois états d'oxydation : 7- Ecrire les demi--équations redox correspondant aux réductions successives de la FMN. 8- Parmi ces différentes formes de la FMN, existe-t-il des structures aromatiques dont les électrons :n: sont délocalisés sur les trois cycles ? Justifier. II. Cinétique enzymatique Aggroximation du quasi-équilibre. La vitesse d 'une réaction en catalyse enzymatique, dans laquelle un substrat S est converti en un produit F, dépend de la concentration de l'enzyme E, bien que celle-ci ne subisse pas globalement de modification. Pour la réaction suivante : catalyseurE s _» P on définit la vitesse de la réaction comme étant la vitesse d'apparition du produit P. Page 4/14 Chimie 2007 Filière PC En 1913 (Biochem, Zeitschrift 49, 333 (1913)), Michaelis et Menten ont proposé un schéma simplifié en deux étapes. Ces auteurs ont fait l 'hypothèse que dès l'addition de l 'enzyme il s'établit un équilibre rapide entre les formes libres de l'enzyme et du substrat (E et S) et le complexe enzyme--substrat (ES), appelé complexe de Michaelis et Menten qui réagit ensuite avec une constante de vitesse du premier ordre kcal (étape limitante). L'équilibre de dissociation du complexe enzyme--substrat est caractérisé par sa constante de dissociation K5.2 l) équilibre rapide S+ E :* ES K ); 1 /K 8 kcat 2) étape lente E S --> P + E 9- On note [E ]0 la concentration initiale en enzyme. A l'aide de l'écriture de la constante de dissociation et en considérant la conservation de l'enzyme, montrer que l'on peut exprimer la vitesse v de la réaction en fonction de la concentration en substrat : vmaX [S] [S]+ K S V: Donner l'expression de vmaX en fonction de k..., et de la concentration initiale en enzyme [E](). 10- Quelle est la limite asymptotique de v lorsque [S] --> oo ? Retrouver par un raisonnement physique l'expression de cette limite 11- Tracer l'allure de v = f([S]). Comment peut-on utiliser ce graphe pour avoir accès expérimentalement à vmaX et K5 ? Cette méthode est-elle précise ? Pourquoi ? 12- Montrer que le tracé de l/v en fonction de 1/ [S] permet d'accéder plus précisement à vmaX et K5. Approximation de l'état quasi-stationnaire Briggs et Haldane ont développé un mécanisme plus général (Biochem. J., 19, 338 (1925)), ils ont montré qu'il ne s'établit pas forcément pour toutes les enzymes un équilibre rapide entre les formes libres de l 'enzyme et du substrat (E et S) et le complexe enzyme-substrat (ES). Dans leur modèle, après un court délai, c'est la concentration du complexe enzyme- substrat ES qui est constante. k1 S+E 4_' ES k1 k2 ES --> P+E Page 5/14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC 13- Déterminer l'expression de la vitesse globale de ce schéma, l'écrire sous la forme : V..., [S] v = _ [S ]+ K M 14- Expliciter KM (constante de Michaelis relative au substrat) et vmax en fonction des constantes de vitesse du modèle de Briggs et Haldane. 15- Dans quel cas les constantes KM et K5 sont--elles égales '? En pratique, il n'est pas toujours aisé de connaître la concentration en substrat libre [S] dans la solution. Afin de déterminer expérimentalement KM et v,,... on effectue alors une série de mesures de la vitesse initiale pour différentes concentrations choisies en substrat. 16- Quelles sont les hypothèses et conditions expérimentales à vérifier pour que cette méthode soit valide '? 17- Le produit P est la seule espèce présente à absorber la lumière à une longueur d'onde ?... située dans le visible. Proposer un protocole expérimental détaillé permettant de déterminer K M et v,,.... Pour le couple enzyme--substrat étudié, c'est--à-dire flavocytocbrome b2 et pyruvate, on réalise une série de mesures de vitesse de réaction (initiale) en fonction de diverses concentrations initiales choisies en pyruvate : [pyruvate]o ( umol.L" ) 5 10 50 500 1000 va (mmol.L".s") 11,7 17,5 29,2 34,3 34,7 le tracé de l/v0 en fonction de l/[pyruvate]o est représenté ci-dessous 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 . 1/vo (/L.S.mmol'l) 0,02 0,01 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 1/[pyruvate]o (/ L.umol'l) 18- Déterminer graphiquement vmax et KM. Page 6/14 Chimie 2007 Filière PC 111. Transfert électronique On donne ci--a'essous le cycle catalytique de l'enzyme lors de sa réaction sur le ( +)--lactate Cette réaction nécessite l'intervention de molécules de cytoclzrome c (noté Cyt cox sous sa forme oxyde'e et Cyt cred sous sa forme réduite). Lactate Cyt cOX FMN * Cyt b Pyruvate n1.e Cyt Cred Étape Cyt Cred Lactate cinétiquement / FMN facile __ Etape 1 6008-1 Cyt Co Pyruvate FMNH2 Cyt bred Cyt box Etape 4 Etape 2 120 S'1 15005"1 FMNH Etape3 FMNH Cÿt box /\ Cyt bred Cyt Cred Cyt Cox Étape cinétiquement facile Les valeurs des constantes cinétiques ont été obtenues et 25°C et a pH = 7,5. Toutes les expériences sont réalisées et cette température et a ce pH grâce a un milieu tamponne'. On donne les potentiels standard de certains couples dans l'enzyme : E2MN (FMN/FMNH) = - 45 mV E}ïMNH (FMNH/FMNHg) = - 135 mV E£( Cyt bOX / Cyt boed ) = - 3 mV Ef (Cyt COX / Cyt cred) = 220 mV Page 7/ 14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC 19- Ecrire l'équation chimique de l'oxydation du lactate (C3H503_) en pyruvate (C3H303_) catalysée par l'enzyme. On s intéresse et la cinétique du transfert d électron de l 'étape 4, c'est-d-dire la réduction de Cyt box par FMNH que l 'on considèrera indépendamment des autres étapes: k4 Cyt box + FMNH Î> Cyt b...1 + FMN + H+ L 'ordre global de la réaction directe est 1 ainsi que l'ordre global de la réaction inverse. On considère que l'ordre partiel par rapport aux ions hydronium est nul. On note ca la concentration initiale en enzyme, on a initialement co = [Cyt box]0 = [FMNH]g 20- Justifier que les concentrations en Cyt bOX et FMNH sont égales durant la réaction. Montrer alors que la concentration de FMN peut se mettre sous la forme : t [FMN] = [FMNLq 1 -- e_5 21- Exprimer "54 en fonction de la et k_ 4. Déterminer l'expression de [FMN]eq. . , . l _ Lors de l'étape 4 on détermme exper1mentalement -- = 120 s 1 . 174 22- Dans le cycle catalytique, quelle est l'étape cinétiquement déterminante '? Justifier. Les variations de la constante de vitesse la en fonction de A,,Gî de la réaction de transfert monoélectronique sont données par l'équation de Rudolph A. Marcus (Prix Nobel de Chimie en 1992) : --(AÏGÏ+À)2 _ 4ÀRT k4 -- Ce ou À est une grandeur positive appelée énergie de réorganisation ; 2_"@2 + n J4nAkT ' ® est un facteur électronique qui ne dépend que de la nature des centres d 'oxydoréduction en présence. Cette relation présente l'intérêt de relier une grandeur cinétique (k4) et une grandeur C est un facteur dont l 'expression est la suivante : C = thermodynamique (A ,,Gî). 23- Donner l'expression de A,,GÏ en fonction des potentiels standard des couples concernés par la réaction. Page 8/14 Chimie 2007 Filière PC 24- Déterminer l'expression de la constante de vitesse k_4 en fonction de A,,Gî et 7». Donner l'expression de la constante thermodynamique K 2 de la réaction de l'étape 4 a partir de A,,Gî puis en fonction des potentiels standard des couples concernés par la réaction et de la constante VT. VT =Æz 26 mV. F 25- Application numérique : calculer K 2 . En déduire k_4 et la. Pour simplifier les calculs on prendra ln 5 »-- Æ 1 3 26- Représenter ln k4 en fonction de -A,,Gî. Déterminer la valeur de -A,,Gî pour laquelle ln k4 est maximum. Montrer qu'on peut décrire cette courbe en termes de région << normale >> et de région << inverse >>. A l'aide de manipulations biologiques on peut modifier l 'environnement en acides aminés du Cyt b, et donc son potentiel standard. Pour une valeur E0b,modif = -- 45 mV, on observe que la dépendance en température de la est de type Arrhe'nius avec E A = 24, ] lclmol'l. 27- En déduire la valeur de ?» en eV (Donnée : 1 eV correspond a 96,5 k] .mol'1). 28- Estimer numériquement la constante C en vous aidant d'un développement limité Donnée: e9 z 8.103. La constante C dans l'expression de la dépend fortement de l'interaction entre les deux centres redox, son expression est du type : C = C0e_/3d d représente la distance entre les centres redox. 29- Sachant que CO = 8.107 s'1 et [J' = 4.109 m'1 , déterminer d. Commenter. Donnée : lnlO z 2,3 Page 9/14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC PARTIE B : Synthèse organique d'un inhibiteur enzymatique La Sphingofungine F est un inhibiteur de l'enzyme Serinepalmitolyl transferase qui joue un rôle essentiel dans la biosynthèse des sphingolipides précurseurs des céramides de la peau qui restructurent la couche cornée comme un ciment et stimulent la fabrication naturelle des lipides. La Sphingofungine F dont la structure est précisée ci-dessous est un dérivé oc-- substitué de l'alanine. Une synthèse stéréosélective a partir de l'acide tartrique en a été récemment publiée ( G. Q. Lin et coll., J. Org. Chem. 2000, 65, 9114) ; elle est basée sur une réaction de Wittig entre les deux fragments [ C1 --C6 ] et [ C 7--C20]. Sphingofungin F B I [ C7-C20] A : [C1-C6] Les deux séquences réactionnelles suivantes (indépendantes) décrivent la synthèse préliminaire des deux précurseurs de A (un époxyaldéhyde) et B (un alcool primaire) correspondant respectivement aux fragments [ C1 --C6 ] et [ C 7--C20 ]. Svnthèse du précurseur de A Cette synthèse est effectuée a partir du ( + )--tartrate de diéthyle C énantiomériquement pur : EtO OEt 30- Que signifie << synthèse stéréoséleetive >> ? Page 10/14 Chimie 2007 Filière PC 31- Donner la configuration absolue des carbones asymétriques de la molécule C. Combien existe-t-il de stéréoisomères de configuration de C '? Les représenter à l'aide de la représentation de Cram et préciser les relations de stéréochimie qui les lient. C est mis en présence d 'ace'tone avec une catalyse acide réalisée par l'acide paratoluènesulfonique (noté T sOH), on obtient alors le composé D. 32- Quel est le nom de cette réaction '? Quel est a priori son intérêt '? Quels sont les avantages de TsOH par rapport a HCl '? Préciser le mécanisme de cette réaction et donner une représentation développée spatiale de D. D est traité par de l 'aluminohydrure de lithium en excès pour conduire au composé E. Cette réaction permet de réduire les fonctions ester en fonction alcool. 33- En considérant LiAlH4 comme un donneur d'ions hydrures H", proposer un mécanisme pour cette réaction. Donner la formule développée de E. 34- Comment peut-on passer de E àla molécule F représentée ci-dessous '? \ \\\\"" O H La fonction alcool de F est ensuite oxyde'e pour obtenir G selon une oxydation de Swern. Il s'agit d'une oxydation douce des alcools primaires et secondaires respectivement en aldéhyde et en ce'tone dans un milieu contenant du chlorure d 'oxalyle dans le DMSO (dimétbylesulfoxide) et de la trie'thylamine. 35- Citer un autre réactif possible pour cette oxydation. Représenter G. Le composé G est ensuite dissous dans le dichlorométhane a 00EUR puis opposé au composé Z ci-dessous pour conduire et la molécule H obtenue majoritairement avec une configuration E. H est alors traité par LiAlH4 qui donne le composé 1. COO Et Z : où Ph représente le groupe phényl C6H5. Ph3P-- 36- Proposer une synthèse de Z a partir de l'acide 2-bromopropanoïque. Page 11/14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC 37- Comment appelle-t-on la réaction menant à H '? Représenter la molécule H. 38- Représenter le produit 1. L 'équipe de Sharpless, prix Nobel de chimie 2001, a mis au point une technique d 'époxydation énantiosélective des alcènes , utilisant un complexe chiral du titane. En appliquant cette méthode au composé 1 on obtient un produit J dont la configuration absolue des deux nouveaux atomes de carbone asymétriques est S. 39- Citer un réactif classique d'époxydation des alcènes. 40- Représenter le produit J. J est traité par le tert-butylchlorodimétbylsilyle ( T BDMSCI) en solution dans le dicblorométhane, en présence d 'imidazole. Il se forme alors le composé K. / TBDMSCI : /Cl Imidazole : N/\ 3 w NH "- 41- Montrer que l'imidazole est un ampholyte et identifier les couples acido-basiques correspondant aux valeurs de pKA de 7,0 et 14,5 ; justifier. Montrer que les deux atomes d'azote sont en fait équivalents. 42- Où se trouve le silicium dans la classification périodique '? Quel est le type de réaction mise en jeu dans la formation du composé K '? Représenter K. Le groupe protecteur --OBn (Bn=benzyle) est ensuite ôté pour rétablir la liaison --OH, ce qui donne le composé L ( C 16H3205Si). Le composé L est alors opposé au trioxyde de chrome dans la pyridine pour finalement conduire et la molécule A. 43- Représenter A. Quel est l'intérêt du groupe TBDMS '? Svnthèse du précurseur de B La synthèse de l'intermédiaire B nécessite l'intervention du 6--iodohexan--I--ol. Ce dernier est transformé en M La préparation du composé M fait intervenir la réaction entre le groupe caractéristique OH d 'un alcool et le 3, 4-dihydro-2H--pyrane (dont le nom systématique est 3-- oxacyclohéxène) noté DHP. On étudie la réaction modèle entre le méthanol et le DHP, qui conduit a la formation d'un produit d'addition du méthanol sur la double liaison du DHP, que l'on note H 3C--OT HP. Page 12/14 Chimie 2007 Filière PC H--l-- H3C-OH+ o _; H3C-OTHP Réaction(l) DHP 44- Donner la structure de l'espèce cationique majoritairement obtenue quand le DHP est placé au contact d'un milieu acide, si l'évolution du système est sous contrôle thermodynamique. Par action du méthanol en excès, en solution dans l'éthoxyéthane anhydre et en présence d 'acide para--toluènesulfonique, le DHP est transformé en un composé H3C--OTHP de formule brute C6H1202. 45- Proposer un mécanisme pour la formation de H3C-OTHP. 46- La réaction (1) constitue une étape de protection de la fonction alcool. Justifier cette remarque. Quels sont les produits obtenus lors de la déprotection '? 47- Combien de stéréoisomères sont obtenus lors de la réaction (1) '? Les représenter. En quelles proportions les trouve-t-on '? Justifier le raisonnement... 48- En déduire la structure de M. Le composé M est opposé au 3--oxononanoate de méthyle dans un mélange DMF (diméthylformamide) et acétone en présence de K2CO3, l'ensemble est porté a reflux pour obtenir le composé N. Ce dernier est ensuite mis a reflux dans un mélange de potasse alcoolique pour former 0, on observe un dégagement gazeux. 49- Donner la formule topologique de N et proposer un mécanisme pour sa formation. 50- Quel est le gaz formé lors de l'obtention de O '? Justifier les conditions utilisées pour cette étape au lieu des conditions classiques [(l) HO'aq./ MeOH, 25°. (2) H3O+ / reflux)]. 0 est ensuite déprotégé en milieu acide pour donner B. L 'analyse RMN du composé B fournit les résultats suivants : Déplacement chimique du spectre RMN du proton {dans CDCl3, 300 MHZ) : N° Déplacement (ppm) intégration Allure du Couplage signal (Hz) (a) 0,87 3 H t 7,0 (b) 1,26-1,60 18 H m (c) 2,37 4 H t 7,3 (d) 3,62 2 H t 6 Page 13/14 Tournez la page S.V.P. Chimie 2007 Filière PC 51- Identifier les différents groupes de protons sur la molécule B. Svnthèse de la Sphingofungine F Le composé B est transformé en P : /î Br P : O 0 © @ > 

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 Mines Chimie PC 2007 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Mickaël Profeta (Professeur en CPGE) ; il a été relu par Laetitia Mony (ENS Ulm) et Alexandre Hérault (professeur en CPGE). Ce sujet est composé de deux parties totalement indépendantes, de longueurs sensiblement égales. La première partie s'intéresse, au travers de la chimie générale, à une enzyme, le flavocytochrome b2. L'étude est découpée en trois sous-parties indépendantes. · Dans un premier temps, l'examen de la structure de l'enzyme permet de poser quelques questions sur les acides aminés, puis on s'intéresse à la structure électronique du fer et à quelques réactions simples d'oxydoréduction. · La deuxième sous-partie réalise une étude assez complète de la cinétique enzymatique. Elle est l'occasion de revoir les hypothèses possibles qui conduisent aux vitesses de Michaelis et Menten ou de Briggs et Haldane. Quelques données permettent de vérifier ces modèles et de déterminer les grandeurs expérimentalement. · Le dernier volet de cette partie de chimie générale s'intéresse au transfert électronique. C'est de loin la partie la plus difficile du sujet. Bien qu'elle n'aborde que des notions parfaitement au programme des classes préparatoires, la théorie de Marcus sur le transfert monoélectronique, mêlant thermodynamique, cinétique et oxydoréduction, demande une bonne compréhension des phénomènes. Compte tenu de quelques difficultés mathématiques, il est prudent de ne pas perdre trop de temps sur cette étude en début d'épreuve, mais d'y consacrer la fin du temps imparti. La deuxième partie, portant sur la chimie organique, est une synthèse d'un inhibiteur enzymatique. Cette synthèse stéréosélective est séparée en deux grandes étapes consistant en la réalisation de deux fragments qui seront assemblés par une réaction de Wittig pour former la molécule finale. Les différentes étapes utilisent une large partie du cours de chimie organique. Le sujet met l'accent sur les phénomènes de protection de fonction et de stéréochimie, sans oublier quelques questions se rapportant plus spécifiquement à la pratique en laboratoire. Relativement longue mais sans difficulté particulière, cette partie peut servir de révision en fin d'année pour s'assurer de la bonne maîtrise du cours de chimie organique. Comme chaque année, le sujet de chimie du concours des Mines est bien construit, dans le strict respect du programme. De longueur raisonnable, il semble néanmoins difficile de le traiter parfaitement dans le temps imparti. Il faut en particulier faire attention à la difficulté très variable des parties et gérer intelligemment son temps pour traiter un maximum de questions. Indications Partie A 1 Il s'agit de la réaction entre un acide carboxylique et une amine. 2 Une protéine a une structure bien définie et toujours la même longueur. 5 On retire en premier les électrons de nombre quantique n le plus grand. 6 Les atomes d'hydrogène sont partis et la structure reste globalement neutre. 9 La vitesse de la réaction est la vitesse d'apparition de P. 10 Si la concentration en substrat est très grande, tout l'enzyme est sous forme de complexe ES. 13 On peut appliquer l'approximation des états quasi-stationnaires au complexe ES. 20 Les réactifs étant en proportions stoechiométriques, ils ont la même concentration tout au long de la réaction ; il en va de même pour les produits formés. 24 Pour obtenir k-4 , il faut penser que reste inchangé mais que r G4 change de signe. 26 En général, si l'on augmente la constante d'équilibre, la vitesse de la réaction augmente. 28 On s'intéresse ici à la réaction réelle, le potentiel du cytochrome b n'est pas modifié. 29 Comparer à la distance interatomique moyenne. Partie B 31 La molécule étant symétrique, deux stéréoisomères sont superposables. 33 LiAlH4 réduit un ester en alcool. 36 La formation d'un ylure de phosphore passe par une substitution nucléophile sur la triphénylphosphine. 40 Ne pas oublier la stéréochimie de l'époxyde formé. 41 Écrire les formules mésomères des espèces acide et basique. 43 On a deux protections de fonction alcool. 47 On forme un carbone asymétrique à partir d'un carbocation. 54 La dernière étape est une hydrolyse d'ester et d'amide. A. Étude de l'enzyme flavocytochrome b2 I. Structure des enzymes et propriétés 1 Lors de la condensation de deux acides aminés, la fonction acide carboxylique de l'un réagit avec la fonction amine de l'autre. Il se forme une fonction amide lors d'une réaction analogue à la réaction d'estérification, avec une amine à la place de l'alcool. H H2N C R O C H OH + H2N C R O C OH H O C C H O N C C H R ­H2O H2N R OH Cette liaison amide entre deux acides aminés est le plus souvent appelée liaison peptidique. On nomme ainsi les petites protéines des polypeptides car ils sont formés par polymérisation d'acides aminés reliés les uns aux autres par une liaison peptidique. 2 La polymolécularité d'un polymère représente la distribution des masses molaires des chaînes de ce polymère. Dans le cas des protéines, toutes les chaînes sont identiques, l'indice de polymolécularité est donc de 1. 3 Il existe de nombreuses interactions à l'origine de la structure tridimensionnelle des protéines, provenant le plus souvent de la nature du résidu R. · Certains résidus sont chargés, positivement ou négativement, ce qui donne lieu à des forces d'interactions coulombiennes. Les groupements chargés sont souvent des groupements acides ou basiques, ce qui explique la forte influence du pH sur la structure des protéines. · Les protéines possèdent des fonctions alcool, amine, carbonyle, qui permettent la formation de liaisons hydrogène. La liaison hydrogène est une force d'interaction entre un atome d'hydrogène acide relié à un hétéroatome (O, N, S), et un hétéroatome fortement électronégatif possédant des doublets libres (O, N, F). · Dans le cas de composés contenant du soufre, il est possible d'avoir des liaisons covalentes entre deux parties éloignées de la protéine, par formation de pont disulfure. · Certaines parties de la protéine sont hydrophobes et d'autres hydrophiles. Les interactions avec le solvant (le plus souvent aqueux) participent également à la structure tridimensionnelle. · Les forces de Van der Waals, interactions de type dipôle-dipôle entre les acides aminés formant la protéine, participent aussi à sa structure spatiale. 4 Pour établir la structure électronique d'un atome dans son état fondamental, on utilise trois règles principales : · Le principe d'exclusion de Pauli : deux électrons ne peuvent avoir le même quadruplet de nombres quantiques (n, , m , ms ). · La règle de Klechkowski : les orbitales atomiques sont remplies par énergie croissante ; les niveaux sont occupés par valeur de (n+) croissante, en cas d'égalité, le niveau de plus basse énergie est celui de n le plus petit. · La règle de Hund : si un niveau n'est pas saturé, l'état le plus stable correspond à l'état où le spin des électrons est maximal. En utilisant les règles précédentes, on obtient la configuration électronique du fer dans sont état fondamental : Fe : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 5 Pour obtenir la configuration électronique d'un ion à partir de celle d'un atome, il faut d'abord enlever les électrons les plus externes, donc ici les électrons 4s. D'où la configuration électronique des ions Fe2+ et Fe3+ : Fe2+ : Fe3+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s0 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s0 6 Le cytochrome b neutre contient deux atomes d'hydrogène sur les atomes d'azote au niveau du cycle central. Lorsqu'il complexe un atome de fer (figure 1a), le fer est ligandé par les quatre atomes d'azote qui ont perdu leur hydrogène. Les deux structures étant neutres, on en déduit que le degré d'oxydation du fer est d.o.(Fe) = +II 7 Chaque réduction correspond à l'attachement d'un atome d'hydrogène et à la fixation d'un électron : FMN + H+ + e- = FMNH FMNH + H+ + e- = FMNH2 8 Rappelons les critères d'aromaticité selon la règle de Hückel : un hydrocarbure est aromatique s'il est plan et possède 4n + 2 électrons délocalisables dans un système cyclique. Seul FMN a des électrons délocalisables sur les trois cycles, mais dépourvus de caractère aromatique (il y a douze électrons qui ne forment pas un cycle). O O N H O N H N N N N R O N N R