Étude expérimentale de l’influence des concentrations en enzyme ou en substrat sur l’efficacité de la réaction de destruction de l’eau oxygénée par la catalase. Cette activité permet aussi de développer l’esprit critique.

Auteurs : Lydia DANJON et Vincent GUILI, Lycée Descartes, Saint-Genis-Laval

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Mise en situation

Dans les cellules, l’oxygène se combine avec d’autres éléments pour former des molécules très réactives qui dégradent les composants cellulaires, provoquant ainsi le vieillissement et des mutations dans l’ADN.
La catalase est une protéine produite par la quasi totalité des êtres vivants et présente dans toutes les cellules. Elle permet de limiter les effets du stress oxydatif dus à la formation d’eau oxygénée (peroxyde d’hydrogène) : H₂O₂
La catalase est une enzyme, c’est-à-dire un catalyseur biologique capable d’accélérer la réaction de destruction de l’H₂O₂, selon la réaction suivante :

Cette enzyme est une des plus rapides et plus efficaces connues : elle détruit plusieurs dizaines de millions de molécules d’H₂O₂ par seconde.
 

Consignes

En suivant scrupuleusement les étapes du protocole fourni, tester l’influence de la concentration en substrat.
Recommencer les manipulations pour tester l’effet de la concentration en enzyme.

À ce stade il est possible d’engager une réflexion sur la validité des résultats obtenus. Le fait pour chaque groupe d’élèves d’obtenir des séries de mesures n’implique pas que celles-ci soient significatives (voir la discussion de ce point dans la partie Résultats ci-après). L’idée de mutualiser et de traiter l’ensemble des résultats peut alors émerger et conduire aux consignes suivantes :

Récupérer les données de tous les groupes. Les coller dans un fichier de tableur et construire les graphiques présentant l’efficacité de la réaction enzymatique selon les concentrations en substrat et en enzyme..
À partir de l’analyse des graphiques obtenus, et en prenant en compte les indices de robustesse des résultats de l’ensemble de la classe, rédiger un paragraphe pour répondre à la question initiale..

Principe de la manipulation et documents ressources

La catalase est obtenue par réalisation d’un broyat végétal frais, ici de la pomme de terre. Un disque de papier filtre est imbibé avec le broyat, puis après l’avoir brièvement égoutté sur un papier absorbant il est déposé verticalement dans un tube à essai contenant de l’eau oxygénée. Le disque coule alors dans le tube, mais la réaction s’enclenche immédiatement, libérant du dioxygène. Le gaz forme des bulles à la surface du disque de papier, ce qui le fait remonter à la surface. La durée d’aller-retour est chronométrée : elle dépend de la concentration en enzyme dans le broyat ou de la concentration en substrat utilisée. Les résultats de mesure sont consignés dans un tableur pour être traités graphiquement.

Document 1 : Illustration du principe de la manipulation
 

Document 2 : Vidéo de présentation du dispositif expérimental en cours d’utilisation

Documents ressources proposés au téléchargement :

• Fiche protocole : Protocole_activité_catalase.pdf
• Fiche de préparation pour le laboratoire : Fiche_laboratoire_activité_catalase.pdf

Résultats

Chaque groupe d’élèves consigne ses résultats dans un tableur collaboratif en ligne (Framacalc, Google Sheets ou Excel online).

Document 3 : Exemple de tableur en ligne avec résultats obtenus par un groupe de TP

À ce stade et avant de procéder au traitement graphique des données, il est possible de travailler avec les élèves la notion de répétabilité d’une expérience. En comparant les données obtenues par l’ensemble des groupes on voit que les résultats sont cohérents pour 9 groupes sur 10 (mêmes ordres de grandeur pour chaque point de mesure), alors que le groupe n°9 a consigné des valeurs très éloignées de celles des autres groupes, et même incohérentes entres elles d’un point à l’autre

La discussion permet de retenir les résultats reproductibles et à écarter les données fantaisistes, tout en leur cherchant une origine (erreur de manipulation ou non respect des formats de notation des résultats par exemple). Ainsi on peut souligner que c’est la répétition des mesures qui est porteuse de sens et non une mesure réalisée une seule fois. Pour renforcer la robustesse des résultats on peut aussi les comparer à ceux obtenus par d’autres groupes de TP, de la même année ou des années scolaires précédentes, qui sont donc issus d’expériences indépendantes.

Ensuite chaque groupe peut récupérer en local le classeur contenant l’ensemble des résultats pour construire des graphiques. Les élèves doivent d’abord compléter avec la formule adéquate la ligne permettant de calculer la moyenne des mesures.

Document 4 : Influence de la concentration en substrat sur la vitesse de réaction
^{(graphique tracé avec les données de 29 groupes d’élèves ; 3 expériences indépendantes)}
 
Document 5 : Influence de la concentration en enzyme sur la vitesse de réaction
^{(graphique tracé avec les données de 19 groupes d’élèves ; 2 expériences indépendantes)}

L’analyse des graphiques montre que :

• plus la concentration en substrat est élevée, plus la réaction est importante ;
• plus la concentration en enzyme est élevée, plus la réaction est importante.

Mais l’augmentation n’est pas indéfinie, il y a un maximum, qui correspond à la saturation de l’enzyme.
L’écart-type mesure la dispersion des mesures autour de la moyenne. Ces deux valeurs matérialisées sur les graphiques par les points et les barres d’erreurs permettent de définir un intervalle de fluctuation qui concentre l’essentiel des mesures. La comparaison des intervalles permet de rendre compte de la significativité des résultats.

Limites et intérêts de la manipulation

• Contrairement à une cinétique enzymatique obtenue par ExAO, il n’est pas possible ici de tracer des tangentes à la courbe pour obtenir la vitesse instantanée de la réaction. En effet le dispositif expérimental ne permet pas de mesurer les quantités d’H₂O₂ transformé ou d’O₂ apparu par unité de temps. On n’a donc pas accès à la vitesse de la réaction enzymatique.

• En revanche la visualisation directe de la réaction en train de se faire (effervescence) et de l’influence des paramètres testés (plus ou moins grande rapidité d’aller-retour de la pastille) permet une meilleure appréhension de la réaction enzymatique. Dans une étude par ExAO le graphique se construit directement et la réaction reste invisible dans le réacteur, non directement perceptible.

• Pour les élèves les variations observées sont souvent contre-intuitives : généralement ils s’attendent à obtenir une variation linéaire, proportionnelle. Comme ce n’est pas le cas, ils sont conduits à s’interroger sur la validité de leurs données au cours de l’acquisition, et donc à les comparer à celles des autres groupes.

• La collecte et le traitement des données de l’ensemble de la classe permet de travailler l’esprit critique : discussion de la vraisemblance des résultats de chaque groupe (notion de répétabilité) ; prise en compte de nombreuses valeurs et calcul de moyenne pour obtenir des résultats robustes ; utilisation des barres d’erreur afin de discuter la significativité des résultats.

• La prise en compte des résultats de l’ensemble de la classe impose à chaque élève de s’impliquer au mieux dans son travail afin d’assurer la réussite du collectif, ce qui contribue à développer des compétences de coopération et de responsabilité.