Chapitre II : La nature du vivant

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1 Chapitre II : La nature du vivant Sur la planète Terre il existe une grande diversité d êtres vivants. La Terre s est formée il y a 4,5 milliards d années bien avant que les premiers êtres vivants apparaissent. A- L unité structurale et chimique du vivant. TP/Cours n 4 : L unité chimique du vivant. L analyse de ce document nous montre que la matière organique est majoritairement constituée à partir de 4 éléments chimiques (Oxygène, Carbone, Hydrogène et Azote). On constate également que la matière minérale a une constitution plus hétérogène. L océan est particulièrement riche en Oxygène et en Hydrogène (la molécule constitutive étant l eau H2O). La croûte terrestre étant majoritairement constituée d oxygène et de silicium (SiO2 : dioxyde de silicium). Il est associé à d autres atomes (Al, Fe, Mg, Ca, Na, K ) pour former les silicates qui sont les principaux constituants du manteau et de l écorce terrestre. Les êtres vivants sont formés de matière organique possédant la particularité d être essentiellement constituée de quatre éléments chimiques (CHON). On sait également que la matière organique est principalement constituée par quatre types de molécules (glucides, lipides, protéines et acides nucléiques). Les éléments chimiques entrant dans la composition de la matière vivante sont tous disponibles sur la planète Terre. La comparaison de la composition des atomes constitutifs de la matière vivante et celle du granite par exemple, permet de mettre en évidence l originalité de la constitution chimique du monde vivant.

2 Les atomes qui constituent les êtres vivants se retrouvent également dans la matière non vivante mais dans des proportions différentes. Les atomes C, H, O et N représentent plus de 95% de la masse des organismes. Les molécules formant le vivant peuvent être classées en 2 types de constituants : les constituants minéraux (eau et sels minéraux) et les constituants organiques. La molécule la plus abondante chez les êtres vivants est la molécule d eau. Elle représente 60% de la masse totale d un animal et 75% de la masse d un végétal en moyenne. La quantité d eau est cependant variable d un organisme à l autre. Ainsi, les méduses sont constituées à plus de 95% d eau alors que les graines n en contiennent que 10%... Excepté l eau, la quasi-totalité des molécules du vivant sont des molécules carbonées. Un nombre limité de molécules simples sont à la base de tous les être vivants. Ce sont les acides aminés, les acides gras et les glucides simples. Ces molécules simples peuvent s associer pour former des édifices moléculaires plus complexe. Ainsi les protéines, sont de grosses molécules parfois constitués de plus de 300 acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents dans la nature. Une protéine humaine, une protéine d éléphant ou une protéine végétale seront donc constituées à partir des mêmes briques élémentaires. L amidon et le glycogène sont deux glucides complexes. L amidon est une molécule de réserve chez les végétaux ; le glycogène est une molécule de réserve chez les animaux et les levures. Ces deux glucides sont formés à partir des mêmes éléments de base : des molécules de glucose. Les acides gras entrent dans la composition des membranes plasmiques. Une membrane plasmique de cellule humaine ou une membrane plasmique de cellule de levure est formée des mêmes acides gras. Les êtres vivants sont constitués des mêmes éléments chimiques : C, H O et N pour l essentiel. La molécule la plus importante sur le plan quantitatif est l eau. Les êtres vivants sont constitués de molécules organiques. Ce sont les mêmes types de molécules que l on retrouve chez tous les êtres vivants : glucides, lipides et protides. Cette unité chimique des êtres vivants témoigne de la parenté des êtres vivants. B- L organisation des êtres vivants à l échelle de la cellule. Nous savons qu à l échelle macroscopique il est possible de mettre en évidence des indices de parenté. Problème : Peut-on trouver des indices de parenté à l échelle microscopique? TP/Cours n 5 : L organisation microscopique du vivant.

3 La membrane plasmique des cellules végétales est doublée d une paroi de cellulose qui assure un rôle de soutien. Cette paroi est la paroi cellulosique. Le cytoplasme des cellules végétales contient une vacuole. C est un compartiment limité par une membrane qui contient de l eau et diverses substances dissoutes. Cette vacuole peut également contenir des pigments colorant la cellule. Ainsi le liquide contenu dans la vacuole des cellules d oignons rouges est coloré en rouge. Ces pigments sont également à l origine des couleurs variées des pétales. Les feuilles des végétaux sont constituées de cellules chlorophylliennes. Dans le cytoplasme de ces cellules, on trouve de nombreux organites verts : les chloroplastes. Ces derniers contiennent un pigment, la chlorophylle qui donne la couleur verte aux plantes. De très petite taille, les bactéries sont difficilement observables au microscope optique. Le nombre de bactéries sur Terre est estimé par les scientifiques à On les rencontre dans les milieux les plus divers voire dans les milieux extrêmes (Au fond des océans, dans les lacs salés, dans les sources d eau chaudes ) On les rencontre aussi dans le tube digestif de l homme (Escherichia coli) ou sur sa peau. On estime qu un cm de peau humaine peut héberger des milliers de bactéries sans que cela ne pose de problèmes. On trouve également des bactéries dans les aliments que nous consommons tels les yaourts. TP/Cours n 6 : L unité structurale du vivant. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Certains sont formés d une seule cellule alors que d autres sont constitués de milliards de cellules. Toutes les cellules possèdent une membrane plasmique contenant du cytoplasme. La cellule est donc l unité d organisation des êtres vivants. Cette unité sur le plan structural témoigne de leur parenté. On distingue deux types de cellules : - Des cellules qui se caractérisent par l absence d organites et notamment l absence de noyau. Le matériel génétique est dans le cytoplasme de la cellule. Ce type de cellule est qualifié de procaryote. Les bactéries sont des cellules procaryotes. - Un autre type de cellules qui se caractérise par la présence dans le cytoplasme de nombreux organites. Le matériel génétique est contenu dans un organite spécifique : le noyau. Ce type de cellule est qualifié d eucaryote. Les cellules animales, végétales sont des cellules eucaryotes.

4 C- Les échanges de matière à l échelle de la cellule. Nous savons qu à tous les êtres vivants étaient constitués de cellules et que cette unité sur le plan structural témoignait de leur parenté. La cellule est un espace délimité par une membrane. Problème : Comment se réalisent les échanges de matière à l échelle de la cellule? TP/Cours n 7 : Les échanges de matière à l échelle cellulaire. Échange de gaz Réalisation d un schéma de synthèse où tous les échanges à l échelle de la cellule seront résumés : échange de dioxygène, glucose et de dioxyde de carbone. Ces expériences nous permettent de conclure que la cellule réalise des échanges avec le milieu extracellulaire. Ces échanges se font à travers la membrane plasmique. Ainsi, à l intérieur des cellules, des réactions chimiques permettent de synthétiser du glycogène à partir des molécules de glucose initialement présentes dans le milieu extracellulaire. Remarque : Le glycogène peut également être utilisé par la cellule.

5 TP/Cours n 8 : Mise en évidence des échanges de matière à l échelle cellulaire. Les levures réalisent des échanges gazeux avec leur environnement. Elles absorbent du dioxygène et produisent du dioxyde de carbone. Après addition de glucose, la consommation de dioxygène et la production de dioxyde de carbone augmentent de façon importante. Ce phénomène est la respiration. En présence de dioxygène, le glucose est transformé en dioxyde de carbone et en eau. Cette réaction chimique qui se déroule à l intérieur des cellules permet d extraire l énergie contenue dans les molécules organiques comme le glucose. Les cellules sont le siège de nombreuses réactions chimiques. Il y a des réactions de synthèse (par exemple, nous avons vu plusieurs glucoses donnant du glycogène) et des réactions de destruction (par exemple le glucose transformé en dioxyde de carbone et eau). L ensemble de ces réactions est désigné sous le nom de métabolisme DM : La fabrication du bioéthanol. Quand le milieu ne contient plus d 02, les levures continuent cependant d utiliser le glucose pour produire l énergie nécessaire à leur développement. Elles transforment alors ce glucose en CO2 et en éthanol. Ce processus est la fermentation alcoolique. Le métabolisme peut donc être différent selon les conditions du milieu.

6 Chapitre III L ADN, support de l information génétique Rappel de Troisième : Le programme génétique c est-à-dire l ensemble des informations qui permettent la réalisation des caractères héréditaires est localisé dans le noyau des cellules. Le noyau des cellules contient des chromosomes visibles au moment de la division cellulaire. Ces chromosomes sont essentiellement constitués d une substance chimique : l ADN (acide désoxyribonucléique). Au cours de la division cellulaire, l ADN se compacte formant alors des bâtonnets visibles au microscope : les chromosomes. A- L ADN, une molécule universelle. Les chromosomes portent de nombreux gènes correspondant à une portion de chromosome et donc une portion de molécule d ADN. Ils correspondent à une unité d information permettant la réalisation d un caractère. Problème : Quelle est la structure de la molécule d ADN? TP/Cours n 9 : La structure de l ADN. L ADN est constitué de quatre types de nucléotides désignés par leurs initiales : A, T, C et G. A/T et G/C sont respectivement appariés. L ADN est constitué de deux brins de nucléotides se faisant face selon cette règle de complémentarité. Ces deux brins sont enroulés l un autour de l autre sous forme d une double hélice.

7 Les chromosomes portent de nombreux gènes correspondant à une portion de chromosome et donc une portion de molécule d ADN. Ils correspondent à une unité d information permettant la réalisation d un caractère. Exercice : Une expérience de transgénèse. Conclusion : Le plant de tomate transgénique présente un caractère nouveau (la capacité de produire un insecticide) à la suite de la transgénèse. Le gène introduit est un gène bactérien et pourtant les informations portées par ce fragment d ADN ont été lues et traduites par la cellule végétale du plant de tomate. Cette expérience démontre que l ADN est le support universel de l information génétique. La structure de la molécule d ADN. C est une molécule constituée de deux chaînes enroulées l une autour de l autre formant une double hélice. Des liaisons chimiques (liaisons faibles donc faciles à rompre) unissent les nucléotides des deux chaînes. Les chaînes ou brins sont qualifiés de complémentaires car A (adénine) est toujours apparié avec T (thymine) tandis que C (cytosine) est toujours apparié avec G (guanine). Cette universalité de la molécule d ADN complète les données chimiques, moléculaires ainsi que les observations réalisées en microscopie optique et électronique au chapitre précédent. Ces caractères partagés par tous les êtres vivants témoignent de leur parenté. B- La nature du message porté par l ADN. 1- Un gène peut exister sous différentes versions. Chez l homme le gène à l origine du groupe sanguin est positionné sur les chromosomes 9 pour tous les individus. Exercice sur les groupes sanguins. Nous avons découvert que les cellules sont le siège de réactions chimiques. Nous savons, d autre part, que les gènes sont des unités d informations permettant la réalisation de caractères héréditaires parfois visibles. Problématique : Les réactions chimiques sont-elles contrôlées par des gènes?

8 TP/Cours n 10 : Métabolisme et programme génétique. Les colonies se sont formées par division cellulaire à partir d une cellule initiale (une cellule en donne 2 puis 2 cellules en donne 4 ). Toutes les cellules d une colonie sont donc identiques entre elles. Des levures de la souche Ade2 sont ensemencées. Ces cellules se divisent en formant des colonies. Nous savons que ces levures ont la particularité d être rouge. Il est donc surprenant d observer des colonies blanches alors que les cellules mères de ces colonies étaient rouges. Les résultats obtenus ne sont pas conformes aux résultats attendus. Les consignes insistent sur la nécessité. de travailler en aseptie (utilisation d alcool, utilisation d instruments stériles, travail autour d un bec bunzen ou électrique) afin d éviter la contamination des cultures par d autres levures qui rendraient les résultats inexploitables. En analysant les résultats observés sur le document, on peut éliminer les hypothèses 1 et 3 (respect des règles de manipulation, ensemencement dans le même milieu). On constate que les colonies issues de cellules prélevées dans une colonie blanche sont également blanches. Cela signifie que la couleur blanche est un caractère héréditaire donc dépendant du programme génétique. L expérimentateur fait varier la durée d exposition aux UV. Le paramètre mesuré sera le % de colonies blanches obtenues.

9 Nous pouvons constater que plus le temps d exposition aux UV augmente et plus le nombre de colonies blanches obtenues est important. Parallèlement, nous pouvons noter que le nombre total de colonies diminue avec l augmentation de la durée d exposition aux UV car les cellules sont détruites par les UV. L hypothèse formulée au départ est donc vérifiée. Remarque : La présence de levures blanches après ensemencement de levures de souches Ade2 s explique par des mutations spontanées c est-à-dire qui ne sont pas induites par un facteur extérieur. Le pigment rouge de la levure a pour origine l accumulation dans le cytoplasme de la levure, de la molécule nommée AIR. Cette molécule s accumule dans de cytoplasme car elle n est pas transformée en molécule nommée CAIR. Pourquoi la molécule «AIR» n est elle pas transformée en molécule «CAIR»? Nous comprenons que la molécule «AIR» est transformée en molécules «CAIR» par la protéine spécialisée (une enzyme) symbolisée par la portion de fromage. En absence de cette enzyme, la transformation n a pas lieu, et la molécule AIR s accumule ce qui nous amène à nous poser la question suivante : Pourquoi cette enzyme n existe pas chez les levures de souches Ade2? Cette enzyme n existe pas chez les levures de souche Ade2 car cette souche ne possède pas la version du gène ou allèle permettant sa synthèse.

10 Nous avons démontré que des versions différentes d un même gène modifiait la nature des réactions chimiques se déroulant dans le cytoplasme des cellules. Le métabolisme cellulaire est donc contrôlé par le programme génétique. Les réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules sont contrôlées par le programme génétique. Une mutation d un gène peut empêcher la synthèse d une molécule qui va alors pouvoir s accumuler dans la cellule. Il peut également être à l origine de la mort de la cellule si la molécule à produire est essentielle.

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