TP virtuel sur l'activité enzymatique : température et pH

Ce TP virtuel sur l'activité enzymatique suit l'investigation sur les enzymes d'AP Biology et le TP obligatoire d'AQA GCSE sur le pH et l'amylase. Les élèves changent un seul facteur à la fois, notent la vitesse relative de l'amylase salivaire et la représentent en fonction de la température et du pH. Ils chauffent ensuite l'enzyme au-delà de son optimum, puis la refroidissent. Ils repartent avec deux graphiques, un optimum pour chaque facteur et un Q10 calculé à partir de leurs propres relevés. Tous les nombres de ce guide ont été lus dans la simulation.

Liens avec les programmes

• AP Biology : Unit 3 (Cellular Energetics), topic 3.3, effets de l'environnement sur le fonctionnement des enzymes (ENE-1), et l'investigation AP sur l'activité enzymatique. Le TP AP utilise la peroxydase ou la catalase ; cette simulation utilise l'amylase, la pepsine et la trypsine, avec les mêmes variables et le même type de résultat.
• AQA GCSE Biology : point 4.2.2.1 du programme, le TP obligatoire sur l'effet du pH sur la vitesse de réaction de l'amylase. Au laboratoire, les élèves chronomètrent le moment où le test à l'iode ne vire plus au bleu-noir. Ici, la simulation donne directement la vitesse.
• Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez : « On garde l'amylase à pH 7 pendant que la température monte de 10 °C à 70 °C. Comment sa vitesse va-t-elle évoluer ? » Les élèves choisissent une hausse régulière, un pic puis une chute, une droite horizontale ou une baisse régulière, et écrivent une raison. Sur un lien de classe, c'est la question 1 ; la simulation se débloque une fois qu'ils ont répondu.

Protocole dans la simulation

La ligne sous la simulation affiche le modèle de vitesse, v = Vmax·f(T)·f(pH)·[S]/(Km + [S]). f(T) et f(pH) vont de 0 (aucune activité) à 1 (le plus rapide) ; les élèves les notent comme vitesse relative. Le nombre « mesuré » compte les produits formés pendant les 5 dernières secondes et varie beaucoup : utilisez-le seulement pour voir si l'enzyme fonctionne ou non.

1. Dans les valeurs de départ sous la simulation, choisissez Amylase salivaire et l'inhibiteur Aucun. La simulation démarre à 37 °C et pH 7.
2. Série de températures. Gardez le pH à 7. Faites glisser le curseur T jusqu'à chaque température du tableau et notez f(T). Faites 60 °C en dernier.
3. À 60 °C, observez les enzymes devenir grises et la ligne d'état afficher DÉNATURÉE.
4. Ramenez T à 37 °C sans appuyer sur Réinitialiser. Observez les enzymes et la vitesse mesurée pendant 20 secondes. Appuyez ensuite sur Réinitialiser.
5. Série de pH. Gardez T à 37 °C. Réglez chaque pH du tableau et notez f(pH).
6. Tracez la vitesse relative (f × 100) en fonction de la température, puis en fonction du pH.

Température (°C)	10	20	30	37	45	50	60
f(T)
Vitesse relative (%)

pH	3	5	6	7	8	9	11
f(pH)
Vitesse relative (%)

Résultats attendus

L'amylase à pH 7 donne f(T) = 0,15 à 10 °C ; 0,31 à 20 °C ; 0,62 à 30 °C ; 1,00 à 37 °C ; 0,80 à 45 °C ; 0,48 à 50 °C et 0,00 à 55 °C et au-delà. En dessous de l'optimum, chaque hausse de 10 °C double la vitesse : 0,50 à 27 °C devient 1,00 à 37 °C. Au-dessus de l'optimum, la vitesse chute bien plus vite qu'elle n'a monté.

À 37 °C, f(pH) vaut 0,00 à pH 3 ; 0,21 à pH 5 ; 0,68 à pH 6 ; 1,00 à pH 7 ; 0,68 à pH 8 ; 0,21 à pH 9 et 0,00 à pH 11. La courbe est symétrique autour de pH 7. La pepsine a son maximum à pH 2 et la trypsine à pH 8, et chacune donne f(pH) = 0,00 à l'optimum de l'autre.

Après 60 °C et un retour à 37 °C, les enzymes restent grises, la courbe du produit au cours du temps devient plate et la vitesse mesurée reste à 0 produit / 5 s. Faites remarquer que la ligne v affiche de nouveau une valeur (environ 61) : la formule décrit une enzyme fonctionnelle, tandis que les molécules grises montrent ce qui est arrivé à ce lot.

Questions pour les élèves

1. Prédiction : on garde l'amylase à pH 7 pendant que la température monte de 10 °C à 70 °C. Comment sa vitesse va-t-elle évoluer ?
2. Dans la partie pH du TP, quelles variables devez-vous garder identiques ?
3. Amylase à 37 °C, pH 5. Que vaut f(pH) ?
4. Lisez f(T) à 27 °C et à 37 °C (pH 7). Calculez Q10 = vitesse à 37 °C ÷ vitesse à 27 °C.
5. Chauffez l'amylase à 60 °C, puis refroidissez-la à 37 °C sans Réinitialiser. Décrivez et expliquez ce que vous observez.

Réponses pour l'enseignant :

1. Elle monte jusqu'à un pic vers 37 °C, puis tombe à zéro à 55 °C.
2. La température (37 °C) et l'enzyme.
3. 0,21 (accepté à ± 0,02).
4. 1,00 ÷ 0,50 = 2,0 (accepté à ± 0,1).
5. Les enzymes restent grises et aucun produit ne se forme. La chaleur a modifié la forme du site actif, le substrat ne s'y emboîte plus, et le refroidissement ne l'inverse pas.

Idées fausses fréquentes

• « La chaleur tue l'enzyme. » Les enzymes sont des molécules, pas des êtres vivants. Elles se dénaturent : elles perdent leur forme.
• « Refroidir rétablit l'activité. » Pas après 55 °C : dans ce modèle, seul Réinitialiser la rétablit.
• « Le froid dénature aussi les enzymes. » À 10 °C la vitesse est faible (0,15), mais elle remonte quand on réchauffe.
• « Toutes les enzymes fonctionnent mieux à pH 7. » La pepsine fonctionne mieux à pH 2, dans l'estomac.

Prolongement

• Inhibiteurs (AP). Dans les valeurs de départ, comparez l'inhibiteur Aucun, l'inhibition compétitive et l'inhibition non compétitive. Au départ, v vaut 62,5, environ 35 et 20,8. Appuyez plusieurs fois sur +20 substrat : le substrat supplémentaire récupère une grande partie de la vitesse face à un inhibiteur compétitif, mais pas face à un inhibiteur non compétitif.
• Trois enzymes. Tracez les courbes de pH de l'amylase, de la pepsine et de la trypsine sur un même graphique et reliez chaque optimum à sa place dans le tube digestif.

Questions fréquentes

Pourquoi noter f(T) et f(pH) plutôt que compter les produits ?

Le nombre de produits vient de quelques molécules en mouvement : il varie beaucoup d'une fenêtre de 5 secondes à l'autre. Les facteurs donnent à chaque élève les mêmes valeurs pour les mêmes réglages, ce qui permet de comparer les graphiques de la classe.

Cela remplace-t-il le TP réel ?

Pas pour AQA : les TP obligatoires doivent toujours être faits à la main. Utilisez la simulation pour préparer et prédire, ou pour expliquer les résultats. Voir laboratoires virtuels ou réels.

Puis-je fixer les réglages pour ma classe ?

Oui. Dans la page de partage, créez un lien et réglez l'enzyme, la température, le pH, le substrat et l'inhibiteur dans les valeurs de départ.

Voir aussi

Enzymes industrielles – cinétique de Michaelis–Menten et enzymes immobilisées Vitesse de réaction – modèle des collisions (concentration, température, catalyseur, surface de contact)

Pour mener le test de chauffage en discussion de classe, voir prédire, observer, expliquer avec des simulations. D'autres idées : idées de leçons de biologie interactives.