corrigé 2004 - Académie de Rouen

Olympiades de la chimie
Académie de Rouen
Concours régional
2004









QUESTIONNAIRE CORRIGE




Le thème de ce questionnaire est :

CHIMIE et BEAUTE









La durée de l'épreuve était de 2 heures



(((( Informations importantes (((((((((((((((((((


* Ce questionnaire est composé d'une succession de lectures, de questions
et de petits exercices.






Les questions et exercices sont repérés par leur numérotation chiffrées :
"I.1 etc. ".


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Lecture

Ciel un cheveu blanc !

Tôt ou tard, une majorité d'entre nous doit faire ce constat.

Beaucoup de personnes, les chiffres sont très difficiles à obtenir, vont
cacher l'outrage du temps derrière une coloration.

A cette pratique se sont ajoutés des phénomènes de mode, il devient courant
"d'améliorer" son apparence.
Un moyen très efficace consiste à changer la couleur des cheveux.
Bien entendu cette pratique n'est pas nouvelle si l'on en juge par le
mouvement Punk dont les adeptes teintent avec des couleurs voyantes,
éventuellement fluorescentes, la crête qu'ils arborent.
L'usage de colorants naturels tels que le henné, l'indigo ou le brou de
noix est connu de l'humanité depuis des siècles..

Tout cela est bien beau, mais nous amène à poser quelques questions :

. Qu'est-ce qui colore les cheveux ?
. Pourquoi existe-t-il une grande variété de teintes de cheveux ?
. Comment teindre durablement les cheveux ?


Dans cette partie du questionnaire, nous allons essayer de répondre à
toutes ces questions en progressant logiquement.

La couleur des cheveux

La couleur des cheveux se décide à leur racine.
Des cellules, les mélanocytes, synthétisent des pigments, les mélanines,
que d'autres cellules, les kératinocytes, incorporent aux cellules qu'elles
fabriquent. Ces dernières cellules possèdent un exosquelette de kératine
(un peu comme les insectes). La kératine est la protéine constituant la
structure du cheveu mais aussi de la peau et des ongles.
Lorsque le cheveu croît, les cellules nouvellement créées meurent, ce sont
les cellules mortes dont la kératine est le squelette qui s'organisent "en
écailles" pour former le cheveu.

Les pigments ou mélanines sont aussi responsables de la coloration de la
peau et de l'iris de l'?il.

Mais, pour obtenir cette grande diversité de coloration des cheveux, il
doit exister un grand nombre de mélanines de structure différente ?

Eh bien non ! Il existe deux structures principales de mélanines,
l'eumélanine et la phéomélanine.
De surcroît ces deux structures sont synthétisées à partir d'une seule et
unique molécule : la tyrosine.
La tyrosine est l'un des acides ?-aminés essentiels, cela signifie qu'il
doit être apporté par l'alimentation car notre métabolisme ne le synthétise
pas.

La tyrosine est l'acide 2-amino-3-(4-hydroxyphényl)propanoïque ou pour les
biochimistes la 4-hydroxyphénylalanine.
Dans les mélanocytes, la tyrosine est rapidement oxydée en DOPA (3,4-
dihydroxyphénylalanine) la DOPA va à son tour être oxydée en quinone qui se
transforme en DHICA (acide 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylique) qui va se
décarboxyler en DHI (5,6-dihydroxyindole).
Ces deux molécules sont les monomères de l'eumélanine.
Une forte proportion de DHI va donner un polymère de teinte noire alors
qu'une forte proportion de DHICA va donner un polymère de teinte brune.

En présence de cystéine et du catalyseur enzymatique approprié, la DOPA va
former une nouvelle molécule qui est le monomère de la phéomélanine.
La phéomélanine teinte les cheveux en rouge orangé (roux). (accessoirement
en blond)


Questionnaire


I. La structure du cheveu

La kératine est une protéine constituant de 65 à 95 % de la masse des
cheveux.

1. Que sont les protéines ?

Des cellules mortes
Des polysaccharides
Des macromolécules
De la peau séchée
Un condensât d'acides ?-aminés

2. En dehors des cheveux, citer deux parties du corps humain dont le
constituant principal est la kératine.


Les ongles, la peau


Le cheveu humain est formé à partir d'une vingtaine d'acides ?-aminés, le
plus important en quantité est la cystéine, le cheveu humain en contient
environ 17,5 %.


1 Exercice : Quelle formule semi développée pour la cystéine ?


a. Donner la formule semi développée générale d'un acide ?-aminés.





La cystéine contient un seul atome de soufre et un seul atome d'azote. Les
autres atomes sont le carbone l'oxygène et l'hydrogène. Sa masse molaire
est égale à 121 g.mol-1.[1]


b. Donner la formule brute de la cystéine. C3H7O2N


c. Justifier votre réponse.


[pic] = 74 g/mol ; M-R = 47 g/mol ; enlevons 32 g/mol il reste
15 g/mol ce qui correspond à -CH3.


Dans la classification périodique, l'élément soufre est situé en dessous de
l'élément oxygène.


d. Quelle est la structure de la couche électronique de valence du
soufre ?





e. Combien de liaisons covalentes simples peut-il former ? Deux


f. Sachant que pour la molécule de cystéine l'atome de soufre est situé
en bout de chaîne carbonée, proposer une formule semi-développée.















On peut considérer que la structure du cheveu est constituée d'un
empilement de chaînes macromoléculaires de kératine.

3. Comment ces macromolécules s'associent-elles entre elles ?

En créant des réticulations


Par concaténation


En formant des liaisons hydrogène


En utilisant une colle biologique

4. Quelle macromolécule à structure en hélice doit sa cohésion à des
liaisons de ce type?

La Cellulose


Le Polyéthylène


L'A.D.N.


La graisse



II. La couleur des cheveux


Lecture


La mélanine est responsable de la teinte des cheveux.


La mélanine est constituée de macromolécules différentes en structure mais
très proches l'une de l'autre car elles sont formées à partir d'une
molécule unique : la tyrosine.
La tyrosine est un acide ?-aminé, son nom en nomenclature systématique de
la tyrosine est : acide 2-amino-3-(4-hydroxyphényl)propanoïque.
La tyrosine est qualifiée d'acide ? -aminé essentiel, en effet parmi la
vingtaine d'acides ? -aminés nécessaires à la vie de l'être humain, 8
d'entre eux sont qualifiés d'essentiels.

Questionnaire

1. Quelles autres parties du corps humain sont teintées par la mélanine ?

Les ongles


La peau


L'iris de l'?il


Le sang


2. Dessiner en formule semi développée une molécule de tyrosine.








3. Pour quelle raison certains acides ? -aminés sont-ils qualifiés
d'essentiels ?

Parce que contrairement aux 12 autres, ils sont nécessaires à la vie




Ils sont nécessaires à la vie et notre métabolisme ne peut les
fabriquer


Ce sont les seuls qui soient utilisés par les différents métabolismes




Parce qu'on les trouve dans l'alimentation.

Lorsque l'on veut construire une molécule de tyrosine à partir de modèles
moléculaires, il est possible d'obtenir deux structures différentes.

4. Pour quelle raison peut-on obtenir deux structures différentes ?

Les acides ?-aminés possèdent un atome de carbone asymétrique
Exception : la glycine
5. Dessiner ces deux structures en représentation de Cram








6. Pour quelle raison ces deux structures ne sont-elles pas superposables
?


Elles sont image miroir l'une de l'autre

7. Comment se nomme la propriété associée à cette caractéristique ?


La chiralité

8. Quelle relation stéréochimique lie les deux molécules de tyrosine ?


Ce sont des énantiomères

III. Les deux mélanines

Les mélanines sont des macromolécules formées par addition ou condensation
de monomères issus de la tyrosine pour l'eumélanine et de la tyrosine et de
la cystéine pour le phéomélanine.

Dans les structures qui vous sont proposées, identifier et recopier le ou
les monomères


Ci-contre un fragment d'eumélanine.


1. Rechercher les deux monomères principaux que vous représenterez dans le
cadre ci-dessous

Différencier le monomère issu du DHI de celui issu du DHICA















Ci-contre, un fragment de phéomélanine.

2. Rechercher le monomère que vous représenterez dans le cadre ci-dessous.













3. Calculer la masse molaire du monomère de phéomélanine.





4. Sachant qu'une molécule de phéomélanine est constituée de n monomères,
exprimer sa masse en g.mol-1 puis en Daltons.





5. Que représente 1 Dalton ?

1 gramme par molécule


1 unité de masse atomique


la masse atomique d'un atome de 12C


la masse moléculaire d'un monomère

6. Rappeler la définition d'une unité de masse atomique

C'est la masse en kg du proton


C'est la masse en kg du neutron


C'est 1/12 de la masse d'un noyau de carbone 12


c'est 1/12 de la masse de l'élément carbone
IV. Teinture ou coloration des cheveux


Lecture


Dans les "Premiers Temps", la coloration des cheveux avait un but
initiatique, puis elle servit à cacher les cheveux blancs ou ternes sans
avoir recours à une perruque.

Aujourd'hui, la coloration des cheveux est devenue un phénomène de mode.
Pour s'en convaincre, il suffit de recenser les publicités destinée à en
promouvoir les produits.

Les produits utilisés sont aujourd'hui beaucoup moins agressifs que par le
passé mais ils ne sont malheu