PARTIE II CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT

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1 Mis en ligne. Page 1 20/04/2010 PARTIE II CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT cadre de la session de rattrapage.

2 Mis en ligne. Page 2 20/04/2010 Chapitre 1 LA CELLULE UNITE STRUCTURALE ET FONCTIONNELLE DU VIVANT Question 1 : pourquoi dit-on que la cellule est l unité structurale de tous les êtres vivants? Vous avez vu avec Monsieur Camuset qu il existait deux types de cellules (Procaryotes et Eucaryotes) ainsi que leurs caractéristiques structurales. Ainsi vous avez pu découvrir que l on parle de la cellule en tant qu unité structurale du vivant car tous les êtres vivants sont composés de cellule(s). Dans la suite du chapitre nous nous intéresserons à l aspect fonctionnel de la cellule. Le métabolisme est l ensemble des réactions chimiques de dégradation ou de fabrication qui se déroulent dans un organisme. Quelque soit leur spécialisation, les cellules ont besoin d énergie pour fonctionner et produire de la matière organique. Le métabolisme peut être étudié en caractérisant les besoins nutritifs des cellules. Question 2 : Les cellules animales et végétales qui ont presque les mêmes structures ont-elles les mêmes métabolismes pour fabriquer leur énergie et donc les mêmes besoins nutritifs? TP 3 Les besoins nutritifs des cellules chlorophylliennes : le radis Activité 1 : analyser les résultats d une expérience afin de mettre en évidence les besoins nutritifs des cellules chlorophylliennes. Protocole : Dans trois récipients, on dispose 20 graines de radis, sur un disque de coton. Ce support permet aux plantules de s enraciner et sert à retenir l eau d arrosage qui leur est fournie. En revanche, il n apporte aucun élément nutritif utilisable pour la croissance des plantules. Les cultures sont soumises à des conditions différentes de températures, d éclairement et de nutrition (voir tableau cidessous). Milieu d arrosage composition Volume total Eclairement Température Culture 1 Eau déminéralisée 15 ml Lumière Ambiante Culture 2 Liquide de Knop 15 ml Lumière Ambiante Culture 3 Liquide de Knop 15 ml Obscurité Ambiante Liquide de Knop : engrais mis au point pour obtenir une croissance optimale des plantes en laboratoire. Il est composé de divers sels minéraux dissous dans l eau : nitrate de calcium, nitrate de potassium; sulfate de magnésium, phosphate monopotassique, chlorure ferrique. Taille des plantules après 12 jours de culture : Cult. 1 Cult. 2 Cult. 3 TAILLES EN mm cadre de la session de rattrapage.

3 Mis en ligne. Page 3 20/04/ Quelles sont les hypothèses relatives aux besoins nutritifs des plantules de radis que l on veut tester grâce à ce protocole? Réponse : Les hypothèses que vous auriez pu émettre : - pour croître, les plants de radis ont besoin de sels minéraux - pour croître, les plants de radis ont besoin de lumière 2- Expliquez pourquoi on place les graines sur un disque de coton et non sur un sol naturel? Pourquoi pour chaque culture utilise- t-on 20 graines et non une seule? Réponse : Le sol contient des substances nutritives (substances minérales, voir cours de 6 ème ) donc si l on veut voir l effet des sels minéraux apportés par le liquide de Knop, il ne faut pas qu une source en apporte ; pour cela on utilise un support neutre : le coton. On sème plusieurs graines pour : - effectivement avoir des résultats permettant une analyse statistique comme, par exemple, le calcul de la moyenne - si une graine est semée, comment en cas de non germination de celle-ci faire la distinction entre une défaillance de la graine et l effet des conditions auxquelles elle est soumise. 3- Tracez pour chaque culture, sur la même feuille de papier millimétré, les courbes représentant en abscisse le numéro de la graine et en ordonné sa taille. Calculez à partir du tableau la taille moyenne des plantules pour chaque culture. Que constatez-vous? Réponse : Voir votre graphique (le faire) : en abscisse portez le numéro de la graine et en ordonnée vous porterez la taille en mm On constate que les conditions les conditions de cultures n 2 sont les plus favorables au développement des plants de radis. 4- Déduisez-en les besoins nutritifs d une cellule chlorophyllienne? Réponse : Les cellules chlorophylliennes ont besoins de sels minéraux et de lumière pour se développer. (la lumière importe peu pour la germination car normalement les graines germent dans le sol où il règne l obscurité). Activité 2 : analyser un graphique et s informer à partir d un texte ; mettre en relation ces données avec celles de l activité 1 afin de réaliser un schéma résumant tous les échanges que réalise la cellule chlorophyllienne avec son environnement. Source : SVT, livre bordas : 2 : 1 Dioxygène Mise à l obscurité Eclairement Mise à l obscurité Dioxyde de carbone Résultats d une expérience visant à montrer les échanges gazeux réalisés par les cellules chlorophylliennes avec leur milieu de culture cadre de la session de rattrapage.

4 Mis en ligne. Page 4 20/04/2010 Remarque (1) : la sonde qui mesure la teneur en dioxyde de carbone est moins sensible que celle qui mesure le dioxygène ; de ce fait, les variations en dioxyde de carbone dans le milieu réactionnel sont peu marquées ce qui explique les faibles pentes observables en phase d obscurité. Analyse du graphique Lorsque la cellule chlorophyllienne est placée à l obscurité, on constate que : - la teneur en dioxygène dans le réacteur diminue ; elle passe de t=0 : 390µmol/L à t=1min30 :380µmol/L puis de 450µmol/l à t=3min30 à 440µmol/L à t=4min30 - la teneur en dioxyde de carbone dans le réacteur augmente ; elle passe de t=0 : 325µmol/L à t=1min30 :330µmol/L puis de 250µmol/l à t=4min30 à 255µmol/L à t=5min Or lorsque la cellule chlorophyllienne est placée à la lumière, on constate que : - la teneur en dioxygène dans le réacteur augmente ; elle passe de t=1min30 : 380µmol/L à t=3min :445µmol/L - la teneur en dioxyde de carbone dans le réacteur diminue ; elle passe de t=1min30 : 325µmol/L à t=3min :260µmol/L On peut donc en déduire que à la lumière la cellule chlorophyllienne consomme du dioxyde de carbone du et rejette du dioxygène ; à l obscurité, c est l inverse. Métabolisme autotrophe et photosynthèse Les végétaux sont autotrophes : les seuls nutriments dont ils ont besoin sont le dioxyde de carbone de l air ainsi que l eau et les sels minéraux du sol. Ils utilisent la lumière comme source d énergie pour synthétiser des glucides, des lipides et des protéines. Les chloroplastes des végétaux, organites riches en chlorophylle, captent l énergie lumineuse. Ensuite, ils la convertissent en énergie chimique et ils l emmagasinent dans des glucides et d autres molécules organiques, qu ils forment à partir du dioxyde de carbone et d eau. Ce processus s appelle la photosynthèse. Lumière Sels minéraux Milieu extracellulaire CO 2 Milieu intracellulaire O 2 PHOTOSYNTHESE Synthèse de nouvelles molécules organiques Dégradation de molécules organiques RESPIRATION Synthèse de matière organique (lipides, glucides, protides) CO 2 O 2 Synthèse de molécules organiques LUMIERE OBSCURITE cadre de la session de rattrapage.

5 Mis en ligne. Page 5 20/04/2010 TP 4 Les besoins nutritifs des cellules non chlorophylliennes : exemple la levure. Activité 1 : concevoir un protocole afin de mettre en évidence les besoins nutritifs de la levure. Liste de matériel : erlen Meyer, aérateur, levure, eau, glucose, pipettes, lame de comptage, bandelettes réactives au glucose (pour montrer que la multiplication des levures dans le milieu est liée au glucose prélevé dans le milieu) Protocole : expérience témoin expérience essai A FAIRE DURANT LA SEANCE DE RATTRAPAGE DE TP Source : SVT, livre bordas Activité 2 : suivre un protocole afin de mettre en évidence les besoins nutritifs des cellules non chlorophylliennes. Etape 1 : prélever à l aide de la pipette un peu de solution de levures dans l erlen témoin et en déposer un peu dans une cellule de comptage ; compter le nombre de cellules dans 4 carrés Etape 2 : réalisez la même chose avec les levures cultivées dans l erlen contenant du glucose. Complétez le tableau ci-dessous Conditions de culture des levures Nombre de levures comptées Erlen témoin 50 Erlen avec glucose 200 a- que constatez-vous? il y a plus de levures dénombrées dans la solution de l erlen b- quelle hypothèse pourriez-vous émettre à la vue de vos résultats pour expliquer cela? pour proliférer les levures ont besoins de matière organique c- comment pourriez-vous vérifier votre hypothèse? (voir liste de matériel non utilisé) en trempant une bandelette réactive au glucose dans la solution glucose + levures à t=0 min puis une autre bandelette dans cette même solution 24 h après. d- réalisez le test. Que constatez-vous? Concluez sur les besoins nutritifs des cellules non chlorophylliennes. Hypothèse confirmée, il n y a plus de glucose dans le milieu.

6 Mis en ligne. Page 6 20/04/2010 Activité 3 : réaliser une Expérimentation Assistée par Ordinateur afin de vérifier si, comme les cellules chlorophylliennes, les besoins en dioxygène des levures sont dépendants de l éclairement. Principe de l ExAO et protocole du TP : voir fiches distribuées par le professeur Matériel : un ordinateur, des interfaces, l ensemble étant connecté aux sondes plongées dans la cuve ci-dessous. Source : SVT, livre bordas Source : SVT, livre bordas LUMIERE OBSCURITE LUMIERE Résultats d une expérience visant à montrer les échanges gazeux réalisés par les levures avec leur milieu de culture.

7 Mis en ligne. Page 7 20/04/2010 a- pourquoi est-il nécessaire d agiter en permanence le milieu de culture? pour homogénéiser le milieu réactionnel afin que les mesures soient fiable et éviter que les levures stagnes au fond de la cuve. b- comment varient les teneurs en dioxygène et en dioxyde de carbone à la lumière? en à l obscurité? la lumière ou l obscurité n ont aucune influence sur le comportement des levures : elles consomment le dioxygène du milieu et rejettent le dioxyde de carbone quelque soient les conditions. c- mettez en relation ces données avec celles de l activité 2 afin de réaliser un schéma résumant tous les échanges que réalise la cellule non chlorophyllienne avec son environnement. Milieu extracellulaire Molécules organiques Milieu intracellulaire O 2 RESPIRATION Synthèse de molécules organiques Dégradation de molécules organiques Eau + sels minéraux Production d énergie CO 2 Bilan : même si les cellules animales, non chlorophylliennes, et les cellules chlorophylliennes ont de grandes similitudes structurales, ces deux types de cellules n ont pas les mêmes métabolismes car leurs besoins nutritifs sont différents : les cellules chlorophylliennes fabriquent leur matière organique, source d énergie, à partir de substances minérales (sels minéraux, CO 2 ) et ont besoin de lumière. Elles ont un métabolisme AUTOTROPHE. Les cellules non chlorophylliennes quant à elles fabriquent leur matière organique à partir de matière organique prélevée directement dans leur environnement. Elles ont un métabolisme HETEROTROPHE qui est indépendant de la lumière. Conclusion : tout être vivant est constitué de cellule(s) qui pour fonctionner a (ont) besoin d énergie : le cellule est donc l unité structurale et fonctionnelle du monde vivant.

8 Mis en ligne. Page 8 20/04/2010 Exercice d application à faire en devoir maison Le métabolisme d une algue verte : l euglène 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 Composition du milieu de culture Condition d éclairement Aspect des euglènes au microscope en fin de culture Evolution de la culture A Eau + sels minéraux lumière Euglènes vertes Accroissement de la population d euglènes B Eau + sels minéraux obscurité Euglènes incolores Diminution de la population et mort des euglènes C Eau + sels minéraux + glucose lumière Euglènes incolores Accroissement de la population d euglènes D Eau + sels minéraux + glucose obscurité Euglènes incolores Accroissement de la population d euglènes a- par une exploitation rigoureuse des documents fournis, précisez les besoins des euglènes selon les conditions du milieu. b- De quel(s) type(s) de métabolisme l euglène est-elle le siège? c- Expliquez en quoi l euglène est un organisme original dans son mode de fonctionnement.

9 Mis en ligne. Page 9 20/04/2010 Nous venons de voir que grâce à son métabolisme la cellule est capable de produire sa matière organique et son énergie ; le métabolisme et la division, activité qui assure la pérennité de l espèce (cas des organismes unicellulaires) ou du tissu sont deux activités fondamentales. Question 3 : quel organite cellulaire contrôle le métabolisme et la division cellulaire? Activité : analyser des résultats de 3 expériences afin de découvrir comment sont contrôlés la division cellulaire et le métabolisme. Expérience 1 : voir documents acétabulaire et trisomie. Source : SVT, livre bordas

10 Mis en ligne. Page 10 20/04/2010 a- exploitez les résultats expérimentaux pour indiquer la localisation cellulaire et les rôles de l information génétique chez l acétabulaire Pour t aider : analyse une expérience après l autre en appliquant à chaque fois la méthode vu en classe : je constate que. OR je peux en déduire que et mets ces informations en relation pour répondre à la question. - Je constate que si l on sectionne le chapeau, celui-ci, lorsqu il est mis en culture, fini par dépérir - De même pour la mise en culture du pédicelle Or lors de la mise en culture du pied contenant le noyau, une nouvelle acétabulaire se développe. Je peux donc en déduire que c est le noyau qui est responsable de la régénérescence de l algue. b- en bilan indiquez la localisation et l élément constituant le support de l information génétique D après l expérience avec l acétabulaire, le noyau est indispensable à la vie de l individu ; les chromosomes étant le support de l information génétique (doc suivant et programme de 3 ème ), l information génétique est localisée dans le noyau. Expérience 2 : étude du métabolisme chez deux levures Source : SVT, livre bordas

11 Mis en ligne. Page 11 20/04/2010 a- caractérise chaque souche A et B par rapport à sa capacité à utiliser ou non les substrats organiques fournis - la souche A est capable d utiliser le glucose car à l injection du glucose, la teneur en O 2 diminue fortement ; en revanche, elle utilise moins le saccharose comme source d énergie car la teneur en O 2 diminue plus faiblement. - la souche B utilise indifféremment le glucose et la saccharose car la teneur en O 2 diminue de la même façon. b- propose une explication aux différences d activité cellulaire constatées. On peut en déduire que ces deux souches de levures n ont pas le même métabolisme. c- en bilan, le métabolisme des organismes est sous le contrôle du noyau.

12 Mis en ligne. Page 12 20/04/2010 Expérience 3 : expérience de clonage de Dolly Source : SVT, livre bordas Retard Troubles a- caractérise l information génétique que renferme la cellule mammaire à l origine de Dolly C est la même que celle contenue dans le noyau de l ovule puisque l on obtient un individu qui est le clone de la brebis donneuse du noyau. b- déduisez-en le devenir de l information génétique au cours des divisions successives qui conduisent d une cellule-œuf aux différentes cellules d un organisme adulte. Elle est conservée au cours des divisions successives. c- en conclusion répondez à la question 3. C est le noyau qui est l organite clé de la cellule car il contrôle l activité métabolique et la division de celle-ci. L information génétique présente dans le noyau est transmise intégralement d une cellule à l autre lors de la division. Cette information est contenue dans les chromosomes.

13 Mis en ligne. Page 13 20/04/2010 Chapitre 2 UNIVERSALITE ET VARIABILITE DE LA MOLECULE D ADN Le matériel chromosomique est universellement présent dans les cellules animales, végétales et bactériennes. Question 1 : quel est le constituant des chromosomes? TP 1 Mise en évidence et extraction du constituant des chromosomes Voir TP de 3 ème Activité 1 : réaliser une préparation microscopique et la colorer afin de localiser et de caractériser le constituant des chromosomes. a- suivez le protocole b- réalisez un dessin de ce que vous observez c- que constatez-vous? que pouvez-vous en déduire? Activité 2 : réaliser une extraction du matériel génétique afin de le caractériser. a- suivez le protocole b- que constatez-vous? que pouvez-vous en déduire? Bilan : L ADN (Acide DésoxyriboNucléique) est situé dans le noyau de la cellule ; il est le constituant des chromosomes et donc le support de l information génétique.

14 Mis en ligne. Page 14 20/04/2010 Des souris vertes sont nées! Eclairées, elles sont fluorescentes. On a introduit dans des ovules fécondés de souris normales l information génétique qui, chez une espèce de méduse, détermine naturellement cette fluorescence. Question 2 : pourquoi est-il possible d introduire un gène de méduse dans un ovule fécondé de souris? Hypothèses : Activité : s informer et analyser des expériences de transgénèse (transfert de gène) afin de comprendre pourquoi l ADN de méduse peut être intégré à celui d une souris Source : SVT, Belin

15 Mis en ligne. Page 15 20/04/2010 a- après avoir compris les expériences ci-dessus, remplissez le tableau suivant : Organisme transgénique Mais Organisme donneur B thuringiensis Organisme receveur Mais Gène transféré Gène conférant la résistance à la pyrale Caractère héréditaire induit par le gène du receveur Production d insecticide par le mais Bactérie Homme Bactérie Gène responsable de la production d hormone humaine de croissance Production par la bactérie d hormone humaine de croissance b- à quel type d organisme appartiennent le donneur et le receveur de chaque expérience? Expérience 1 : donneur : bactérie Expérience 2 : donneur Homme receveur : végétal receveur : bactérie c- à l aide de l un des exemples proposés, montrez que l ADN est le support d une information génétique. L ADN est le support de l information génétique car l organisme receveur exprime le caractère induit par le gène du donneur. d- expliquez en quoi la transgénèse démontre l universalité de la molécule d ADN La transgénèse démontre l universalité de la molécule d ADN car un gène provenant d une bactérie (procaryote) s intègre dans le génome d un organisme végétal (eucaryote) ; de même, un gène Humain (eucaryote) s intègre dans le génome d une bactérie (procaryote). e- répondez à la question posée. Il est possible d introduire un gène de méduse dans le génome de souris car l ADN est universel.

16 Mis en ligne. Page 16 20/04/2010 Question 3 : comment la structure de l ADN explique t-elle la diversité des gènes? 1- la structure de la molécule d ADN Activité 1: exploiter le logiciel RASTOP afin de visualiser, de décrire et de schématiser la structure spatiale de la molécule d ADN. 2- localisation des gènes et diversité des gènes Activité 2 : s informer à partir de documents afin de localiser les gènes et de comprendre ce qu est un gène. Dans tous les organismes, des gènes dirigent la fabrication des protéines. On dit qu ils codent des protéines. Des milliers de protéines différentes sont ainsi synthétisées : l hémoglobine (présente dans les globules rouges et assure le transporte du dioxygène) et le collagène (protéine qui assure le soutien et la fixation de nombreux tissus animaux (peau ). Chacune assure une fonction particulière dans l organisme.

17 Mis en ligne. Page 17 20/04/2010 a- donnez la localisation des gènes b- comparez les séquences des deux gènes en entourant les différences. A partir de cette comparaison, déterminez comment la structure de l ADN permet le codage de deux protéines différentes. c- expliquez comment le faible nombre de lettre de l alphabet est compensé pour former des mots importants. d- montrez comment la structure de la molécule d ADN explique la diversité des gènes. Question 3 : comment la structure de l ADN explique t-elle la diversité des gènes? 1- la structure de la molécule d ADN Activité 1: exploiter le logiciel RAMOL afin de découvrir la structure de la molécule d ADN et d en réaliser un schéma. Cheminement à suivre : démarrer- RASMOL-Rasmol-raswin-file open- ADN.PDB- ok.

18 Mis en ligne. Page 18 20/04/ Allez des «colours» puis dans «chain». De combien de chaînes l ADN est-il constitué? 2- Faites tourner à l aide du curseur la molécule d ADN et décrivez sa structure. 3- Allez dans «display» et sélectionnez «sticks». Indiquez le nombre nucléotides qui constituent l ADN. 4- Allez dans «display» et sélectionnez «shapely». Que pouvez-vous dire de l organisation des constituants de la molécule d ADN? schématisez alors la molécule en utilisant des couleurs. 2- localisation des gènes et diversité des gènes Activité 2 : s informer à partir de documents afin de localiser les gènes et de comprendre ce qu est un gène. Dans tous les organismes, des gènes dirigent la fabrication des protéines. On dit qu ils codent des protéines. Des milliers de protéines différentes sont ainsi synthétisées : l hémoglobine (présente dans les globules rouges et assure le transporte du dioxygène) et le collagène (protéine qui assure le soutien et la fixation de nombreux tissus animaux (peau ). Chacune assure une fonction particulière dans l organisme. La drépanocytose ou anémie falciforme, est une maladie héréditaire qui affecte chaque année en France 250 nouveaux nés. Elle se caractérise entre autre par une anémie chronique due à un mauvais approvisionnement des tissus en dioxygène. Elle résulte d une mauvaise circulation sanguine provoquée par la déformation des globules rouges qui perdent leur souplesse et bouchent les capillaires sanguins? L espérance de vie des sujets atteints est réduite.

19 Mis en ligne. Page 19 20/04/2010 Question 4 : quelle est l origine de cette pathologie? Activité : s informer et raisonner à partir de documents. a- quelle relation pouvez-vous établir entre la séquence des acides aminés d une protéine et la propriété de cette grosse molécule qu est l hémoglobine? b- comparez les séquences des allèles (versions de gènes) codant pour les hémoglobines HbA et HbS. Pourquoi peut-on dire de façon imagée qu une mutation est une «faute de frappe» Mutation : modification de la séquence des nucléotides formant un gène ; le sens du message génétique peut alors être modifié.

20 Mis en ligne. Page 20 20/04/2010 Question 5 : nous connaissons une des conséquences possibles d une mutation, mais quelle peut être l origine des mutations? Hypothèses : Activité :