CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT. Chapitre 2 : Des activités cellulaires sous contrôle

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1 CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT Chapitre 2 : Des activités cellulaires sous contrôle Rappel 6 e : Matière organique : elle est constituée d'atomes de carbone (C), hydrogène (H), et d'oxygène (O), et d'azote (N), phosphore (P), soufre (S) en moindres quantités. Cela correspond à tous les constituants provenant d'êtres vivants (végétaux, animaux, bactéries, champignons vivants ou morts, décomposés ou en cours de décomposition, déjections et humus). Matière minérale : elle est formée de constituants minéraux, c'est à dire de molécules ayant une composition chimique définie et une structure atomique ordonnée. Exemple : l'eau (H 2 O), l'air (N 2, O 2 ) I] Constitution chimique des êtres vivants Activité 1 : Constitution chimique de la matière vivante Le tableau suivant présente la composition chimique moyenne des cellules vivantes : Substances chimiques % de la masse cellulaire Eau 70 Ions minéraux 1 Glucides et précurseurs 3 Acides aminés et précurseurs 0,4 Nucléotides 0,4 Lipides et précurseurs 2 Macromolécules 22 TOTAL 98,8 Le développement et le fonctionnement d un être vivant nécessitent, selon qu il est plus ou moins complexe, la biosynthèse de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de molécules spécifiques. 1. Résumer en quelques lignes les principales informations tirées de ce tableau. Les êtres vivants sont principalement constitués d eau. Les macromolécules correspondent à des grosses molécules comme les protéines, l ADN ou les molécules de réserve. Les ions minéraux, les glucides, les acides aminés, les nucléotides et les lipides constituent des «briques de base» permettant la production d énergie par la cellule ou la synthèse de ses macromolécules. Une cellule vivante a donc besoin de prélever dans son environnement les

2 «briques de base» nécessaire à la production de sa propre matière ou à la production d énergie. 2. En quoi les informations tirées du tableau illustrent-elles à la fois l unité et la diversité du monde vivant? Toutes les cellules composant les êtres vivants ont une composition chimique proche ce qui met en évidence une unité du vivant. Le terme macromolécules recouvrent des molécules de nature et de fonction très différentes ce qui marque une certaine diversité du vivant. Bilan : Pour vivre toutes les cellules doivent pouvoir produire des substances organiques nécessaires à leur fonctionnement ou à leur multiplication. II] Les besoins nutritionnels et modes de fonctionnement des cellules 1) Les besoins nutritionnels des cellules Quels sont les besoins des différents types de cellules? Activité 2 : Mise en culture de deux types cellulaires Les cellules présentent des points communs dans leur organisation. Intéressons nous au fonctionnement des cellules et plus particulièrement à leur nutrition. Pour cela des cultures de Levures et de Chlorelles ont été réalisées dans quatre milieux A, B, C et D différents par leur composition chimique. Le tableau 1 résume ces conditions. Tableau 1 : Conditions expérimentales Milieu A Milieu B Milieu C Milieu D Eau distillée X X X X Sels minéraux (Matière minérale) X X Matière organique X X Conséquence : Si ces cellules sont placées dans des conditions environnementales favorables, elles se multiplieront. Si l environnement n est pas favorable, elles mourront. Protocole : On met en culture dans quatre milieux différents A, B, C et D des concentrations IDENTIQUES de chaque type de cellule et on les expose au même éclairement pendant une semaine. On évaluera le nombre de cellule par comptage sur lames de Kova (voir fiche technique). Exploitation des résultats : 1) Décrire l aspect des tubes au début de l expérience puis après une semaine (avec éclairement). En début d expérience le contenu des tubes est limpide (transparent). Après une semaine de culture, les milieux de culture B et D sont colorés en vert car ils contiennent des chlorelles en suspension. Pour les levures, au bout d une semaine, le tube D présente une turbidité importante tandis que le tube C est légèrement moins turbide.

3 Les chlorelles se développent sur les milieux de culture B et D. Tandis que les levures se développent préférentiellement dans le milieu D mais également dans le milieu C. 2) Compter les cellules sur lame Kova. Indiquer si les cellules de levures et de chlorelles se développent dans le même type de milieu. Préciser. Non. Les chlorelles et les levures se développent toutes deux dans le milieu D, mais les chlorelles sont capables de se multiplier dans le milieu B, ce dont sont incapables les levures. 3) Comparer les milieux liquides A, B, C et D. Proposer une explication au fait qu aucun des deux types de cellulaires ne se développent dans le milieu A. Les milieux A, B, C et D sont des milieux qui diffèrent par l absence ou la présence de solutés minéraux ou organiques. Aucun développement des cultures ne s observe sur le milieu A (eau distillée), car l eau distillée n apporte pas les éléments nécessaires au développement des algues ou des levures. 4) L analyse des résultats permet-elle de dégager des points communs et des différences dans le métabolisme d une cellule chlorophyllienne et d une cellule non chlorophyllienne? Métabolisme = fonctionnement du vivant Oui. Les levures ont besoin d eau, d ions minéraux et de substances organiques pour se développer. Alors que les chlorelles (algues vertes) ont besoin d eau et d ions minéraux, elles n ont pas besoin de matière organique. 5) Indiquer pour chaque type cellulaire, s il peut être qualifié d hétérotrophe ou d autotrophe. Autotrophe : qui peut se développer et produire sa propre matière sur un milieu contenant uniquement des substances minérales. Hétérotrophe : qui ne peut pas se développer sur un milieu uniquement minéral et qui produit sa propre matière en utilisant des substances organiques et minérales. Si on se rapporte à ces définitions, les chlorelles sont des êtres vivants autotrophes. Les levures sont des êtres vivants hétérotrophes car elles ne peuvent élaborer leur propre matière organique qu à partir de matière organique préexistante. Bilan : Métabolisme : ensemble des réactions chimiques qui déterminent le mode de fonctionnement d une cellule. La mise en culture de deux types cellulaires sur des milieux qui différent par la présence ou l absence de matière organique met en évidence deux grands modes de fonctionnement cellulaires : - Des cellules qui peuvent se développer sur des milieux ne contenant que des substances minérales : cellules autotrophes (chlorelles, cellules végétales chlorophylliennes) - Des cellules qui ne peuvent se développer qu en présence de substances minérales et organiques : cellules hétérotrophes (levures) 2) Relation entre métabolisme et organisation cellulaire Activité 3 : Le métabolisme d une algue verte : l euglène

4 L euglène est une algue verte unicellulaire. Quatre suspensions d euglènes sont cultivées dans des conditions différentes de nutrition et d éclairement pendant 24 heures. L aspect et la croissance des euglènes sont observés. Le tableau ci-dessous résume ces conditions et les résultats observés. Milieu A B C D Composition du milieu de culture Eau Sels minéraux Eau Sels minéraux Eau Sels minéraux Glucose Eau Sels minéraux Glucose Conditions d éclairement Lumière Obscurité Lumière Obscurité Aspect des euglènes observées au microscope au bout de 24 heures Euglènes vertes Euglènes vertes Euglènes incolores Euglènes incolores Evolution de la culture Accroissement de la population d euglènes Diminution de la population d euglènes et mort Accroissement de la population d euglènes Accroissement de la population d euglènes 1) Par une exploitation rigoureuse des données fournies, préciser les besoins nutritifs des euglènes selon les conditions du milieu. Les euglènes vertes produisent leur propre matière organique à partir de substances minérales en présence d une source d énergie lumineuse. Les euglènes incolores ont besoin d eau, d ions minéraux et de substances organiques pour se développer. Leur développement s effectue à la lumière comme à l obscurité. 2) Indiquer quelle souche peut être qualifiée d autotrophe. Les euglènes vertes sont des êtres vivants autotrophes, car elles peuvent se développer sur un milieu contenant uniquement des substances minérales. 3) A l aide du diaporama, indiquer les caractéristiques structurales spécifiques à la souche autotrophe. La souche verte, contrairement à la souche incolore, renferment des chloroplastes. Ce sont donc les chloroplastes qui confèrent à la souche verte sont autotrophie. 4) A l aide du diaporama, indiquer les organites cellulaires communs aux deux souches et impliqués dans les deux types de métabolismes. Les mitochondries sont présentes dans les deux types de souches d euglènes. Elles sont impliquées dans le métabolisme des cellules eucaryotes, qu elles soient autotrophes ou hétérotrophes. 5) L absence de chloroplastes dans une souche se transmet de génération en génération. Indiquer ce qui peut être déduit sur l origine de cette caractéristique. La présence de chloroplastes ou son absence est un caractère qui se transmet de génération en génération. Comme seule l information génétique est intégralement transmise à la génération cellulaire suivante, on peut en conclure que la présence, ou l absence, d un organite est une caractéristique placée sous le contrôle de l information génétique de cette cellule.

5 Bilan : Les mitochondries sont présentes dans le cytoplasme des cellules eucaryotes autotrophes et hétérotrophes (cellules animales, végétales, champignons). Les chloroplastes sont présents dans le cytoplasme des cellules végétales chlorophylliennes, ce qui confère à ces cellules un mode de vie autotrophe. 3) Echanges gazeux avec l environnement TP : Les échanges gazeux accompagnant le métabolisme Activité : Etude du dégagement gazeux de la cellule chlorophyllienne à l aide d un ordinateur : mesure Exao (ou livre page 161) (Exao = expérimentation assistée par ordinateur) Mise en place du matériel : - Ajouter dans le réacteur du bicarbonate. Lancer l agitation du milieu. - Avec la lampe éclairer les cellules contenues dans le réacteur. - Utiliser la fiche technique mise à disposition pour lancer l interface labosvt. - Laisser le milieu se stabiliser pendant une dizaine de minutes. Expérimentation à la lumière : Temps d analyse : 25 minutes 1. Décrire l évolution des concentrations en O 2 observées à la lumière. A la lumière, les concentrations en O 2 augmentent au cours du temps. Expérimentation à l obscurité : Temps d analyse : 35 minutes - Mettre un sac plastique noir sur le dispositif expérimental et éteindre la lampe. - Utiliser la fiche technique mise à disposition pour lancer une nouvelle acquisition. 2. Décrire l évolution des concentrations en O 2 observées à l obscurité. A l obscurité, les concentrations en O 2 diminuent au cours du temps. 3. Sur le bureau du professeur les mêmes manipulations sont réalisées afin de mesurer l évolution des concentrations en CO 2 dans le milieu. Décrire l évolution des concentrations en CO 2 à la lumière et à l obscurité. A la lumière, la quantité de CO 2 dans le milieu diminue. A l obscurité, les concentrations en CO 2 augmentent au cours du temps. 4. Expliquer en quoi les résultats expérimentaux à la lumière confirment l idée que le CO 2 est un nutriment utilisé par les cellules chlorophylliennes pour la synthèse de leurs molécules organiques. A la lumière, la quantité de CO 2 dans le milieu diminue. Le végétal prélève donc le CO 2. La matière organique étant composée d atomes de carbone, on peut supposer que le carbone du CO 2 prélevé par la plante est utilisé pour réaliser la synthèse de molécules organiques par le végétal 5. Indiquer si les échanges gazeux des cellules chlorophylliennes sont influencés par les variations d éclairement. Proposer une explication.

6 Les échanges gazeux et donc le métabolisme des cellules chlorophylliennes sont influencés par les variations d éclairement. Le végétal respire à l obscurité, il a donc un métabolisme différent à l obscurité et à la lumière. 6. Représenter par deux schémas les échanges de CO 2 et d O 2 entre une cellule chlorophyllienne et son milieu selon les conditions d éclairement. Activité : Etude du dégagement gazeux de la levure à l aide d un ordinateur : mesure Exao (ou livre page 161) (Exao = expérimentation assistée par ordinateur) Mise en place du matériel : - Ajouter dans le réacteur du glucose. Lancer l agitation du milieu. - Avec la lampe éclairer les cellules contenues dans le réacteur. - Utiliser la fiche technique mise à disposition pour lancer l interface labosvt. - Laisser le milieu se stabiliser pendant une dizaine de minutes. Expérimentation à la lumière : Temps d analyse : 25 minutes 1. Décrire l évolution des concentrations en O 2 observées à la lumière. Dans le milieu contenant les levures, les concentrations en O 2 diminuent au cours du temps. Expérimentation à l obscurité : Temps d analyse : 35 minutes - Mettre un sac plastique noir sur le dispositif expérimental et éteindre la lampe. - Utiliser la fiche technique mise à disposition pour lancer une nouvelle acquisition à l aide de l interface labosvt. 2. Décrire l évolution des concentrations en O 2 observées à l obscurité. Dans le milieu contenant les levures, les concentrations en O 2 diminuent au cours du temps. 3. Sur le bureau du professeur les mêmes manipulations sont réalisées afin de mesurer l évolution des concentrations en CO 2 dans le milieu. Décrire l évolution des concentrations en CO 2 à la lumière et à l obscurité. Dans le milieu contenant les levures, les concentrations en CO 2 augmentent au cours du temps à la lumière comme à l obscurité. 4. Indiquer si les échanges gazeux des levures sont influencés par les variations d éclairement. On constate qu il n y a pas d influence des conditions d éclairement contrairement aux cellules végétales chlorophylliennes. A la lumière, comme à l obscurité, les levures rejettent du CO 2 et absorbent de l O 2.

7 5. Représenter par un schéma les échanges de CO 2 et d O 2 entre une levure et son milieu. Echanges gazeux de la levure Bilan : Comparaison des échanges gazeux accompagnant le métabolisme des levures et des cellules chlorophylliennes. 1) Conclure en indiquant la nature des échanges gazeux accompagnant chaque type de métabolisme. Les levures qui sont des êtres vivants hétérotrophes rejettent du CO 2 et absorbent de l O 2. Les cellules chlorophylliennes qui sont autotrophes rejettent de l O 2 et absorbent du CO 2 à la lumière. 2) Formuler une hypothèse expliquant que le métabolisme d une cellule chlorophyllienne soit différent à la lumière et à l obscurité. Il est possible de supposer que le métabolisme des cellules chlorophylliennes soit lié à la présence de chloroplastes qui sont absents des autres types cellulaires. Bilan : Selon les substances qu elles prélèvent dans leur environnement pour produire leur propre matière organique, les cellules présentent deux types de métabolisme. Les cellules AUTOTROPHES ne prélèvent que des substances minérales : sels minéraux, eau, CO 2. Ces cellules produisent leur matière organique à partir de composés minéraux et d une source d énergie externe comme la lumière. Les cellules HETEROTROPHES prélèvent des substances minérales et des substances organiques ; c est à partir de ces dernières qu elles tirent l énergie nécessaire à la synthèse de leur propre matière. L autotrophie et l hétérotrophie sont les deux grands types de métabolisme des cellules. BILAN DES 2 TYPES DE METABOLISME CELLULAIRE : Type de métabolisme Autotrophie Hétérotrophie Nature des besoins Matière minérale et matière Matière minérale nutritifs organique Nature des échanges Consomme du dioxyde de Consomme du dioxygène et

8 gazeux carbone et rejette du dioxygène rejette du dioxyde de carbone Conditions particulières A la lumière Types de cellules Cellules animales, Cellules végétales champignons, végétales non chlorophylliennes chlorophylliennes Organites concernés Chloroplastes Mitochondries