EPREUVES D ADMISSIBILITE. Biochimie. Sciences et technologies de l habitat et de l environnement

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1 EPREUVES D ADMISSIBILITE Biochimie Durée : 5 heures Coefficient : 1 Sciences et technologies de l habitat et de l environnement Durée : 5 heures Coefficient : 1 Voir les sujets dans les fichiers séparés au format PDF

2 RAPPORT DE L'EPREUVE DE BIOCHIMIE Rapport de Mesdames Catherine ALLARD, Dominique ASSAN, Jocelyne BLIVET, Muriel CHAVANEL, Monique ECHELARD, Béatrice FOGERON-BAIBA, Marie-Henriette FOURNIER, Christine GELINOTTE, Anne GERRIET, Elsa GIOVANNINI, Laurence GUILGUET, Corinne MARENGO, Sandrine MELAC, Marie-Françoise MUZELLEC, Muriel ORDAS, Hélène ROUDAUT, Nathalie WALLART et Messieurs Dominique BEAUDOUX, Jules GUITTARD, Frédéric PAVY, Fabien REINBOLT, Gil RENNO, Jean-François TRUCCHI, Eric VOGEL. PARTIE BIOCHIMIE Commentaires Cette année, un écart grandissant a été observé entre les bonnes copies (plus nombreuses) et les très mauvaises. Certaines performances pourraient être sensiblement améliorées par une lecture attentive du sujet afin d en respecter les consignes («présenter» est différent de «décrire») et d éviter les hors sujet comme le transport des lipides, les lipoprotéines, les chylomicrons... La perte de temps due à ces hors sujet les pénalise. Une introduction est nécessaire mais elle ne doit pas être une simple répétition de l énoncé, ni une dissertation sur le sujet. Lorsque les questions s y prêtent, il est conseillé de dégager en préalable une vue d ensemble qui présente la logique du développement, ceci était particulièrement nécessaire pour le métabolisme. Les connaissances doivent être organisées de façon rationnelle. Le jury conseille : de bien étudier le programme du concours ; d utiliser au maximum des schémas et tableaux de synthèse (schéma de synthèse du métabolisme ) ; de soigner la présentation (la présentation est un critère d évaluation du candidat) ; de connaître les formules chimiques de base (acide gras, triglycéride, phospholipide ) et les voies métaboliques essentielles, avec les noms des intermédiaires, des enzymes et des coenzymes. Un livre de biochimie générale permet d acquérir ces bases et d avoir une vue d ensemble du métabolisme. Eléments de corrigé Introduction : définition générale des lipides. Question Présentation, éventuellement sous forme d un tableau, et définition des principaux groupes de lipides (acides gras, glycérides, glycérophospholipides, sphingolipides, stérides, isoprénoïdes) - Structure des lipides alimentaires ; triglycérides incluant la structure des acides gras, cholestérol, lécithine. Le jury attendait des formules développées, une présentation de la nomenclature, particulièrement pour les acides gras essentiels. Question Présentation d une vue d ensemble (schéma recommandé) du métabolisme des lipides, principales voies à mettre en relation : lipogenèse, lipolyse, β-oxydation suivie du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire, cétogenèse, synthèse du cholestérol et des phospholipides.

3 - Certaines voies devaient être reprises (sans le détail des réactions) pour en dégager l intérêt métabolique dans différentes situations physiologiques, par exemple : - lipogenèse post-prandiale pour la constitution de réserve énergétique ; - cétogenèse hépatique lors du jeûne ; - utilisation du cholestérol et de ses dérivés. Question Développement des voies métaboliques suivantes (nom des intermédiaires, enzymes, coenzymes, localisation cellulaire) : - lipolyse ; - activation et transport mitochondrial des acides gras activés ; - réactions de la β-oxydation ; - cycle de Krebs ; - chaîne respiratoire. - Présentation de la cétogenèse et de la cétolyse. PARTIE NUTRITION Commentaires du jury Le jury attendait une introduction et une conclusion courtes et adaptées. Des candidats ont bien structuré leur devoir avec des connaissances actualisées, des justifications appropriées et une approche scientifique du niveau requis. Hélas, ils représentent une minorité. Une présentation soignée et un plan apparent contribuent à la clarté de la copie. Le jury rappelle que l orthographe et la syntaxe sont des exigences fondamentales pour de futurs enseignants. L utilisation des abréviations abusives (NRJ, G, L, P ) est à proscrire. Parmi les erreurs les plus fréquemment rencontrées, le jury a noté : - des hors sujet ; - des réponses simplistes, fantaisistes et non scientifiques. Conseils Il est indispensable d actualiser les connaissances, de ne plus utiliser les références trop anciennes (calories, méthodes du 421) ou erronées («mauvais, bon cholestérol», apports caloriques ou calorifiques à la place d énergie ). Les tableaux doivent être correctement présentés : signification des entrées des lignes et des colonnes en précisant les unités! Le sujet Le sujet comporte 3 annexes dont une seule est explicitement présentée. Néanmoins, la totalité des documents doit être exploitée. La question 2.1. Les réponses n ont pas suffisamment développé les recommandations nutritionnelles : - répartition entre les différents nutriments énergétiques ; - répartition entre les différentes catégories d acides gras (AGS, AGMI, AGPI) ; - répartition et présentation des acides gras essentiels (série ω3 ; ω6) ; - conséquences d un excès et/ou d un manque d AGS, d AGMI, d AGPI, de cholestérol. Les effets physiopathologiques associés à la consommation des différents constituants des lipides ont été traités de façon très superficielle, sans analyse. Les candidats se sont contentés de généralités sorties de la presse de vulgarisation grand public.

4 La question 2.2. Elle comporte une ambiguïté, («un menu journalier») que le jury a pris en considération en acceptant un seul menu (par exemple le déjeuner) ou les menus des principaux repas. Les candidats font souvent la confusion entre menu et ration et ne savent pas toujours utiliser les tables de composition jointes en annexe. Il est à déplorer que l analyse des apports lipidiques de ce ou ces menu(s) ait été très rarement effectuée. La question 2.3. Elle se limite à l analyse des apports lipidiques : il est inutile de vérifier la satisfaction des apports énergétiques, glucidiques et protidiques. La perte de temps engendrée par ces développements hors sujet a sans doute été préjudiciable à la qualité de la réflexion et de la rédaction. De très rares candidats ont ensuite interprété les résultats obtenus par les calculs qui, sans analyse, deviennent inutiles. RAPPORT DE L'EPREUVE DE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'HABITAT ET DE L'ENVIRONNEMENT Rapport de Mesdames AZANOWSKI, BERNARD, CHARRIERAS, CHASSAGNE, CONSTANTIN, CORDESSE, DEYMONNAZ, DORIDANT, JAN, LEDUC, LESTANG, LIADOUZE, LOUYER, TAILLIS, THIEBAULT, VANWINSBERGHE, XIPOLITAS et Messieurs DIARD, FARRIE, GROS, HYAUMET, MORIN, TUYAA -BOUSTUGUE, VERQUIN. Remarques et conseils aux candidats sur le plan général 1- Une lecture attentive du sujet doit permettre : - d identifier le thème général du sujet, de dégager le fil conducteur attendu et donc d éviter le hors sujet ; - d identifier les verbes qui précisent les contenus des réponses attendues (indiquer, expliquer, expliciter, présenter). 2- Le devoir nécessite une introduction, des transitions et une conclusion : - l introduction du devoir ne doit pas être une liste de considérations générales et/ou anecdotiques mais situer le sujet dans son contexte et présenter le plan ; - la conclusion ne doit pas se limiter à une reprise des points abordés dans le devoir. Le jury attend une conclusion structurée faisant apparaître une prise de recul du candidat sur le sujet (exemple : rattachement du sujet à l actualité ) et un élargissement vers d autres axes. 3- La construction du devoir doit mettre en évidence les différentes questions (questions numérotées et paragraphes). 4- La rédaction des réponses peut intégrer, à bon escient, l usage de tableaux, graphiques, schémas traduisant rigueur et esprit de synthèse. 5- Les tableaux constituent une forme de réponse synthétique mais le contenu doit être élaboré, précis, classé (exemple : le tableau Question 3 devait mettre en évidence pour chaque polluant ses origines et ses effets sur l homme et sur l environnement). 6- L exploitation des annexes ne peut se limiter à un recopiage, celles-ci doivent être un support d argumentation. Les annexes exploitées doivent être signalées lors de la rédaction du devoir. 7- L orthographe, la syntaxe et la présentation (propreté) sont évaluées. 8- Le contenu des réponses repose sur des connaissances technologiques, scientifiques et réglementaires approfondies et actualisées. Eléments de corrigé 1 - Le cycle du carbone

5 Le recyclage des éléments à la surface de la planète est fortement lié au fait que la Terre est une planète vivante. L'élément le plus critique attaché à ce recyclage est sans aucun doute le carbone. Depuis que le cycle biologique du carbone est apparu sur Terre, il a en quelque sorte transformé cette planète en un système fermé qui assure sa continuité. Il est le constituant majeur de deux gaz à effet de serre, CO 2 et CH 4 sans lesquels il ne saurait y avoir de vie sur terre ; son recyclage influence particulièrement la productivité biologique et le climat. Le cycle global du carbone implique des processus qui agissent en milieu terrestre et aquatiques et où interviennent des réactions chimiques biologiques et non biologiques. Précisons d'abord que dans la nature, le carbone se retrouve sous deux formes: le carbone organique (C org ) et le carbone inorganique (C inorg ). Il est souvent utile de faire la distinction. Le C org est celui qui est produit par des organismes vivants et est lié à d'autres carbones ou à des éléments comme l'hydrogène (H), l'azote (N) ou le phosphore (P) dans les molécules organiques ou les hydrocarbures. Le C inorg est associé à des composés inorganiques, c'est-à-dire des composés qui ne sont pas et n'ont pas été du vivant et qui ne contiennent pas de lien C-C ou C-H, comme par exemple le carbone du CO 2 atmosphérique ou celui des calcaires CaCO 3. Le cycle global du carbone La figure ci-dessus présente le cycle global du carbone et ses flux entre les quatre sphères "superficielles" de la Planète: lithosphère, hydrosphère, biosphère et atmosphère. Y est indiquée aussi la dimension des réservoirs de carbone impliqués, exprimée en Gt c (Gt c = gigatonnes en équivalent carbone), c'est-à-dire en milliards de tonnes métriques de carbone.

6 On y remarque que le grand réservoir de carbone est constitué par les roches sédimentaires. Un autre grand réservoir est l'océan; on verra qu'il s'agit en fait de l'océan profond (plus de 100 mètres de profondeur). C'est dire que la pellicule superficielle de la planète recèle relativement peu de carbone, mais ce carbone est particulièrement important pour la vie et l'influence qu'il y exerce. Au niveau des flux entre les réservoirs, on évalue que le temps de résidence d'un atome de carbone est de 4 ans dans l'atmosphère, de 11 ans dans la biosphère, de 385 ans dans l'hydrosphère superficielle (océan de 0 à 100 m), de plus de 100 Ka (milliers d'années) dans l'océan profond et de quelques 200 Ma (millions d'années) dans la lithosphère. Il est important de se rappeler de ces valeurs relatives dans toute discussion sur l impact des gaz à effet de serre, en particulier le CO 2, sur les changements climatiques et les échelles de temps impliquées. Le cycle du carbone organique Pour le cycle court, on parle de processus qui s'étalent sur des temps inférieurs au siècle. Le processus de base du recyclage du carbone à court terme est le couple photosynthèse-respiration, c'est-à-dire la conversion du C inorg du CO 2 en C org par la photosynthèse, et subséquemment l'inverse, la conversion du C org de la matière organique en C inorg par la respiration. Il faut considérer trois phénomènes de base. D'abord, la photosynthèse qui utilise l'énergie solaire pour synthétiser la matière organique en fixant le carbone dans des hydrates de carbone (CH 2 O):

7 La matière organique est représentée ici par CH 2 O, la forme la plus simple d'hydrate de carbone. En réalité, il s'agit de molécules beaucoup plus grosses et plus complexes dont la base demeure les éléments C, H et O, mais auxquels viennent se joindre d'autres éléments en faibles quantités comme l'azote (N), le phosphore (P) et/ou le soufre (S). Cette partie de la matière organique correspond à la productivité primaire, et les organismes impliqués (bactéries, algues et plantes) sont les producteurs primaires. Ceux-ci captent de l'énergie solaire et la transforment en énergie chimique qu'ils stockent dans leurs tissus. Cette dernière est transférée aux organismes consommateurs, incluant les animaux. Il est intéressant de noter que, dans la nature, la biomasse des consommateurs est bien inférieure (environ 1%) à celle des producteurs primaires. Les consommateurs tirent leur énergie de celle qui est contenue dans les producteurs primaires en ingérant leurs biomolécules et en respirant. L équation globale de la respiration est l'inverse de celle de la photosynthèse: à partir de l'oxygène libre O 2, elle transforme toute matière organique en CO 2 Il s'agit d'une réaction qui nécessite la disponibilité d'oxygène libre O 2. Dans la nature, une partie de la matière organique constitue un substrat pour la respiration (elle est oxydée) pour les animaux ou les plantes elles-mêmes. Une autre partie se retrouve dans les sols terrestres ou les sédiments marins. La décomposition se fait sous l'action de micro-organismes, bactéries et champignons. Ces microorganismes forment deux groupes: les aérobies qui utilisent l'oxygène libre O 2 pour leur métabolisme, et les anaérobies qui utilisent l'oxygène des molécules de la matière organique même en absence d'oxygène libre. La décomposition aérobie produit du CO 2 (équation 2). Dans les milieux anoxiques (sans oxygène libre), les anaérobies décomposent la matière organique par le processus de fermentation dont les produits sont des molécules organiques diverses. L une des fermentations les plus importantes dans le cycle du carbone est celle conduisant à la production de méthane. Cette fermentation produit du dioxyde de carbone et du méthane (l'hydrocarbure le plus simple, avec une seule molécule de carbone), gaz qui peuvent s'échapper dans l'atmosphère. Le méthane, qui est un gaz à effet de serre 20 fois plus efficace que le CO 2, est alors oxydé et se transforme rapidement en dioxyde de carbone. En fait, son temps de résidence dans l'atmosphère n'est que de 10 ans, mais il ne faut pas oublier qu'il se transforme en CO 2. Une partie du méthane demeure cependant dans le sédiment où il forme des réservoirs de gaz naturel. Le cycle long du carbone organique Les processus discutés plus haut (photosynthèse, respiration, fermentation) affectent le cycle du carbone organique, et en particulier l'équilibre du CO 2 atmosphérique, sur une échelle de temps inférieure au siècle. Sur des échelles de temps beaucoup plus longues, ce sont les processus de nature géologique qui deviennent les contrôles les plus importants, des processus qui agissent sur des milliers et des millions d'années. Il s'agit de processus tels l'enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires, leur transformation en combustibles fossiles et leur altération (oxygénation) subséquente. Les flux de carbone reliés à ces processus sont faibles; en revanche, les réservoirs sont immenses et le temps impliqué très long. Le remplissage de l immense réservoir que constituent les roches sédimentaires, principalement les schistes, s'est fait petit à petit au cours des temps géologiques, avec deux accélérations importantes, d abord lors de l'explosion de la vie métazoaire il y a quelques 600 Ma (millions d'années), puis lors de l avènement de la grande forêt il y a 360 Ma. Le flux de carbone est faible, mais s'étend sur une longue période de temps. Il en est ainsi pour l'oxydation du carbone du réservoir qui se trouve dans les kérogènes, hydrocarbures et charbons. Celle-ci s'est faite au gré de l'exposition à l'air ou aux eaux souterraines oxygénées des roches sédimentaires et de leur contenu, lorsque les mouvements tectoniques qui ont affecté la croûte terrestre ont amené ces roches vers la surface. On évalue le temps de résidence du carbone organique dans ce réservoir à plus de 200 millions d'années, soit en gros le laps de temps correspondant au dépôt des sédiments et matières organiques dans un bassin

8 océanique, à l'enfouissement et la transformation des sédiments en roches sédimentaires, et finalement le soulèvement et l'émergence lors de la formation d'une chaîne de montagne. L'extraction et la combustion des pétroles, gaz et charbons que nous pratiquons à grande échelle transforment une partie de ce cycle long en cycle court. Le cycle du carbone inorganique On a vu que l'interaction photosynthèse-respiration-fermentation est le noeud du cycle du carbone organique. Il y a cependant d'autres processus de recyclage du carbone qui impliquent cette fois le carbone inorganique, entre autres, celui qui est contenu dans le dioxyde (CO 2 ) et dans les calcaires (CaCO 3 ). Les réservoirs importants de C inorg sont l'atmosphère, les océans, ainsi que les sédiments et roches carbonatées, principalement les calcaires CaCO 3, mais aussi les dolomies CaMg(CO 3 ) 2. L'échange entre le CO 2 atmosphérique et le CO 2 de la surface des océans a tendance à se maintenir à l'équilibre. L'altération chimique des roches continentales convertit le CO 2 dissout dans les eaux météoriques (eaux de pluies et des sols) en HCO - 3 qui est transporté dans les océans par les eaux de - ruissellement. Les organismes combinent ce HCO 3 au Ca 2+ pour secréter leur squelette ou leur coquille de CaCO 3. Une partie de ce CaCO 3 se dissout dans la colonne d'eau et sur les fonds océaniques; l'autre partie s'accumule sur les planchers océaniques et est éventuellement enfouie pour former des roches sédimentaires carbonatées. Ces dernières sont ramenées à la surface après plusieurs dizaines de millions d'années par les mouvements tectoniques reliés à la tectonique des plaques. Une partie du carbone des roches carbonatées est recyclée dans les magmas de subduction et retournée à l'atmosphère sous forme de CO 2 émis par les volcans. 2 Les gaz à effet de serre L énergie solaire incidente atteignant la Terre subit trois phénomènes : une partie est directement réfléchie vers l espace par les nuages, particules, etc. ; une partie est absorbée par certains gaz de l atmosphère ; une partie atteint la surface terrestre et pour une majorité absorbée le reste étant directement réfléchi. Le rayonnement absorbé est réémis par la surface terrestre sous forme de rayonnements infrarouges. Une partie de ce rayonnement est dissipée vers l espace, le reste est piégé (absorbé et renvoyé vers la Terre sous forme de chaleur) par certains gaz dits «à effets de serre». Ce phénomène naturel permet de maintenir une température moyenne de + 15 C à la surface de la Terre, condition indispensable au développement et au maintien de la vie. Les principaux gaz à effet de serre sont : - la vapeur d eau ; - le dioxyde de carbone ; - le méthane ; - l ozone troposphérique ; - les oxydes d azote ; - Les CFC. Les activités humaines entraînent une augmentation de la production de certains gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone, le méthane, l ozone troposphérique le dioxyde d azote.

9 Source : Pour la science Avril 2004

10 3- Les huit principaux polluants atmosphériques Origines Le dioxyde de soufre Combustions des combustibles fossiles Particules en suspension Volcanisme Activités anthropique s (combustion, incinération) Les oxydes d azote Trafic routier Combustions (centrales énergétiques) Les COV Evaporation d hydrocarbures Procédés industriels Combustions incomplètes Ozone troposphérique Transformations photochimiques de polluants (COV,Nox) CO HCl Métaux lourds Combustion incomplète des carburants Incinération des plastiques riches en chlore Activités industrielles Effets sur l environ- -nement Pluies acides Encrasseme nt des surfaces Pluies acides SMOG Formation d O3 troposphériqu e Formation d O3 troposphérique Effet de serre SMOG Effet de serre Pluies acides Bio- accumulation Effets sur l organis me Gaz irritant qui peut déclencher des symptômes respiratoires aigus PES les plus fines altèrent les voies respiratoires Altération de la fonction respiratoire Irritation et diminution de la capacité respiratoire Effets cancérigènes Irritation oculaire et altération pulmonaire Se fixe à la place de l 02 : maux de tête, vomissement et mort Irritation des muqueuses, des yeux et des voies respiratoires Trouble du développement cérébral Difficulté d apprentissage NB : d autres polluants étaient acceptés par le jury

11 4 Prévention de la pollution atmosphérique 1 - Choix de l implantation Le choix du site d implantation tient compte de l analyse des effets prévisibles, directs et indirects, temporaires et permanents de l installation sur l environnement et sur la santé, notamment en ce qui concerne la proximité immédiate d habitations, de crèches, d écoles, de maisons de retraite et d établissements de santé et des conditions générales de dispersion des rejets. 2 - Conditions d admission des déchets - Caractéristiques des déchets admis : La réglementation précise la quantité maximale en terme de masse, et la nature des déchets admis. Tout déchet dangereux peut-être incinéré dans une installation conforme, s il ne contient pas plus de 50 ppm de PCB-PCT et s il n est pas radioactif. - Certificat d admission préalable Tout producteur de déchets doit fournir un certificat qui atteste la conformité du déchet présenté à l exploitant (teneur en PCB -PCT, chlore fluor, soufre, métaux lourds, PCP). 3 - Conditions d exploitation - Alimentation en déchets de l installation Uniquement lorsque la température est supérieure à 850 C - La combustion Les installations d incinération sont conçues, équipées, construites et exploitées de manière à ce que, même dans les conditions les plus défavorables, les gaz résultant du processus soient portés, après la dernière injection d air de combustion, d une façon contrôlée et homogène, à une température de 850 C pendant 2 secondes, mesurée en continu et à proximité de la paroi interne ou en un point représentatif de la chambre de combustion défini par l arrêté préfectoral d autorisation. - Les odeurs L inspection des installations classées peut demander la réalisation d une campagne d évaluation de l impact olfactif de l installation afin de permettre une meilleure prévention des nuisances. Le cas échéant, des moyens de lutte contre les nuisances olfactives complémentaires peuvent être prescrits par l arrêté d autorisation. 4 - Prévention de la pollution atmosphérique - Caractéristiques de la cheminée Forme des conduits, hauteur de la cheminée (>10m), et vitesse d éjection des gaz (>12 m/s) doivent favoriser l ascension et la dispersion des gaz dans l atmosphère. - Propositions de moyens techniques : Afin de ne pas dépasser les valeurs limites de rejet des différents polluants atmosphériques, l exploitant peut mettre en place : - filtres électrostatiques - lavages des fumées - neutralisation des déchets. 5 - Surveillance des rejets et de l impact sur l environnement Définition de la valeur limite d émission des différents polluants de l air Les valeurs limites d émissions dans l air font l objet des articles 17 et suivants de l arrêté du 20 septembre 2002 Conditions de surveillance des rejets Surveillance de la qualité des rejets à la fois par l exploitant et par des organismes accrédités (COFRAC).

12 Mise en place d une plate-forme de mesure afin de déterminer la composition et le débit des gaz de combustion rejetés dans l atmosphère. L installation correcte et le fonctionnement des équipements de mesure en continu des polluants atmosphériques ou aqueux sont soumis à un contrôle et un essai annuel de vérification par un organisme compétent. Un étalonnage des équipements de mesure en continu doit être effectué au moyen de mesures parallèles effectuées par un organisme compétent. Surveillance de l impact sur l environnement au voisinage de l installation. L exploitant doit mettre en place un programme de surveillance de l impact de l installation sur l environnement. Ce programme concerne au moins les dioxines et les métaux Les mesures sont effectuées sous sa responsabilité et à ses frais : - avant la mise en service de l installation ; - dans un délai compris entre 3 et 6 mois après la mise en service de l installation ; - après la période initiale, selon une fréquence au moins annuelle. L exploitant doit réaliser la mesure en continu des substances suivantes : poussières totales, substances organiques ou à l état de gaz (COT), chlorure d hydrogène, fluorure d hydrogène, et dioxyde de soufre et oxyde d azote. Il doit également mesurer en continu les gaz de : CO, O 2 et vapeur d eau.