Électrophorèse : séparer des acides aminés grâce à un champ électrique

Cet exercice de 6 points, prévu pour environ une heure, croise mécanique et chimie. Des acides α-aminés déposés sur un support baigné dans un tampon de pH 6,0 migrent sous l'effet d'un champ électrique. La première partie établit l'expression de leur vitesse, la seconde utilise les diagrammes de prédominance pour identifier les taches obtenues. Il mobilise le principe d'inertie, la force électrique dans un champ uniforme, le mouvement rectiligne uniforme et les couples acide/base.

Question 1.1 : un mouvement rectiligne uniforme

Le raisonnement attendu est court mais complet : système, référentiel du laboratoire supposé galiléen, bilan des forces. La force de frottement compense la force électrique, le poids est compensé par la réaction du support. La somme des forces est nulle, donc d'après le principe d'inertie le vecteur vitesse est constant. Citer le principe d'inertie sans affirmer que la somme des forces est nulle ne suffit pas.

Question 1.2 : établir l'expression de la vitesse

Deux vecteurs opposés ont la même norme : f = F_e, donc kRv = |q|E, d'où v = |q|E/(kR). La valeur absolue est indispensable, car la charge peut être négative alors qu'une vitesse est positive. Le signe de q ne fixe que le sens de la migration. Attention à ne pas confondre le champ E et la force qE.

Question 1.3 : des vitesses différentes

Le champ est le même pour tous, mais la vitesse dépend de la charge et du rayon de Stokes de chaque constituant. Elle augmente avec |q| et diminue quand R augmente : c'est précisément ce qui permet la séparation. Un constituant de charge globale nulle ne bouge pas.

Question 1.4 : la durée de migration

Le mouvement étant uniforme, Δt = d/v = d·kR/(|q|E). Avec d = 0,10 m, on obtient 1,8 × 10³ s, soit environ 31 min. La durée de 40 min choisie au départ suffit donc ; le constituant parcourt même environ 13 cm. Le piège classique consiste à laisser la distance en centimètres, puis à oublier de convertir les secondes en minutes pour comparer.

Question 2 : identifier les taches A, B, C et D

La méthode tient en trois étapes. D'abord, placer pH = 6,0 sur le diagramme de prédominance de chaque acide aminé : la glycine est globalement neutre, la lysine porte une charge +e, les acides aspartique et glutamique une charge −e. Ensuite, en déduire le sens de migration : la glycine reste sur la zone de dépôt (tache B), la lysine part dans le sens du champ, vers l'électrode 1 (tache A), les deux acides chargés négativement partent vers l'électrode 2. Enfin, départager ces deux derniers par la taille : l'acide glutamique, qui possède un groupe CH₂ de plus, a un rayon de Stokes plus grand, donc une vitesse plus faible (tache C) ; l'acide aspartique donne la tache D.

Pièges et conseils

L'erreur la plus fréquente est de faire migrer les anions dans le sens du champ : le champ est orienté de l'électrode positive vers l'électrode négative, les cations le suivent, les anions vont en sens inverse. Pensez aussi à justifier chaque forme prédominante par la comparaison du pH aux pKa, et rappelez qu'à plus d'une unité de chaque pKa la forme prédominante l'emporte nettement, d'où une seule tache par espèce. Une réponse structurée en trois temps, forme, charge puis taille, est la plus efficace.