Lundi 2 février 2015 DEVOIR SURVEILLE. n 4 BIOLOGIE ET GEOLOGIE. durée 4 h

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1 Lundi 2 février 2015 DEVOIR SURVEILLE n 4 BIOLOGIE ET GEOLOGIE durée 4 h Le devoir comporte deux parties indépendantes : une partie de géologie et une partie de biologie. Chacune d entre elle doit être traitée en 2 h au maximum, en commençant par la géologie : les copies de géologie seront ramassées 2 h après le début de l épreuve. Il sera tenu compte de la qualité de la présentation et de la rédaction (orthographe, grammaire, précision de l expression). L usage de calculatrices électroniques de poche à alimentation autonome, non imprimantes et sans document d accompagnement, est autorisé. Cependant, une seule calculatrice à la fois est admise sur la table et aucun échange n est autorisé entre les candidats. Le sujet comporte 11 pages 1

2 Partie 1 : Géologie (durée 2 h) Exercice 1 : Etude de la Carte d Aurignac au 1/ e 1. Réaliser une coupe à main levée selon le trait AB qui figure sur la carte, en utilisant le profil topographique fourni (p. 10, à rendre). 2. Reconstituer les grands traits de l histoire géologique de la région, à présenter sous la forme d une frise chronologique (les justifications ne sont pas attendues). Exercice 2 : Etablir une chronologie relative à l échelle de l affleurement Analyser les clichés ci-dessous pour établir la chronologie relative de mise en place des roches et structures observées. La réponse sera présentée sous la forme d un tableau, avec une colonne pour les arguments (observations et principes utilisés) et une colonne pour l interprétation. Affleurement de l ophiolite du Massif de Chamrousse (Isère). Trois roches magmatiques sont présentes sur l affleurement étudié : métagabbro (= gabbro métamorphisé), dolérite et basalte. Sur la vue de détail (2 e photo), le trait rouge représente la direction principale de la déformation des minéraux (allongement maximum). [Source : 2

3 Exercice 3 : Datation isotopique du granite du Velay Sept échantillons du granite du Velay ont été récoltés dans la région de Lamastre (Ardèche). Les concentrations isotopiques en Rb, Sr (exprimés en ppm = 10-6 g/g d échantillon) et les rapports isotopiques 87 Rb/ 86 Sr et 87 Sr/ 86 Sr de ces échantillons sont présentés dans le tableau ci-dessous. Echantillons Rb (ppm) Sr (ppm) 87 Rb/ 86 Sr 87 Sr/ 86 Sr ,74±0,08 0,7264±0, ,93±0,06 0,7221±0, ,96±0,12 0,7317±0, ,48±0,07 0,7250±0, ,26±0,04 0,7202±0, ,82±0,11 0,7308±0, ,78±0,05 0,7222±0, Construire le diagramme isochrone à partir de ces données. 2. Justifier que l âge du granite peut être déterminé graphiquement. 3. Déterminer l âge de la roche étudiée. On donne : λ = 1, an -1. 3

4 Partie 2 : Biologie (durée 2 h) Les sous parties A et B sont indépendantes. A. Le génome des eubactéries : quelques aspects de son organisation structurale et fonctionnelle Les questions suivantes sont indépendantes. Question 1 : La taille du génome d Escherichia coli est de pb. La fréquence d erreur de l ADN polymérase III est de 1 pour 10 9 nucléotides. On dispose d un clone d E. coli constitué de 100 bactéries, les génomes de ces bactéries ont été séquencés et l on dénombre 3000 mutations pour 100 génomes. L ADN polymérase III de ce clone vous paraît-elle fonctionnelle? Argumentez. Question 2 : Dans l opéron lactose d Escherichia coli, la synthèse de la β galactosidase est gouvernée par un gène de structure G (encore appelé Lac Z) dont on connaît deux allèles : G + fonctionnel, et G - qui dirige la synthèse d une enzyme inactive. La synthèse d une autre protéine, la perméase au lactose, est codée par un autre gène de structure P (ou Lac Y) dont on connaît deux formes alléliques : P + qui est fonctionnel, et P - qui est inactif. Le gène opérateur O existe sous trois formes alléliques : - O + qui est sensible à l action d un répresseur, - O - qui est insensible à l action du répresseur, - O d qui est une forme défective, sous laquelle l opérateur empêche toujours la transcription des gènes de structure. Enfin, l ensemble de l opéron lactose est sous la dépendance d un gène régulateur R (ou Lac I), dont l allèle R + est fonctionnel pour la production d un répresseur, alors que l allèle R - dirige la synthèse d un produit inactif. On considère les dix souches bactériennes caractérisées par les génotypes suivants : Sachant que le milieu de culture ne contient pas de glucose mais d autres substrats carbonés qui n interfèrent pas avec l opéron lactose, quelles seront les enzymes élaborées en présence ou en absence de lactose pour les différents génotypes bactériens proposés? Répondre en complétant le tableau 1 (p. 11) : indiquer oui ou non, suivant que l enzyme considérée est synthétisée ou pas. Par conjugaison des souches précédentes, on obtient des E. coli «diploïdes». 4

5 Indiquez dans le tableau 2 (p. 11) si la synthèse de β galactosidase est induite, constitutive (toujours synthétisée) ou réprimée (toujours inhibée) chez les différentes souches «diploïdes» obtenues. Les différentes souches diploïdes sont placées au temps 0 sur un milieu lactosé sans glucose. Les trois courbes de croissance suivantes sont obtenues : Indiquez le type de courbe correspondant à chaque souche diploïde S1 à S8. Question 3 : Il existe chez E. coli d autres opérons que l opéron lactose. La protéine Lrp régule l expression de plusieurs opérons en réponse à la présence de leucine dans le milieu. Lorsqu on mesure l expression des opérons ilvih et oppabcdf on observe les résultats suivants : Proposez un mécanisme de régulation permettant d expliquer ces observations pour l opéron ilvih et pour l opéron oppabcdf. Plusieurs travaux réalisés sur la protéine Lrp suggèrent qu in vivo elle existe sous deux formes majoritaires : la forme hexadécamère (Lrp16, oligomère de 16 sous-unités), et la forme octamère (Lrp8, oligomère de 8 sous-unités). De plus, on sait que la fixation de la leucine sur la protéine Lrp entraîne le passage de la forme Lrp16 à Lrp8. On utilise la technique de protection contre la nucléase (footprint DNase assay) sur deux fragments d ADN, correspondant aux séquences régulatrices (promoteur et opérateur) de l opéron ilvih pour le premier et de l opéron oppabcdf pour le second. Chaque fragment d ADN est marqué au 32 P puis incubé, soit seul, soit avec l ARN polymérase, soit avec les deux types d oligomères de la protéine Lrp. Il est ensuite traité par une endonucléase. Les fragments d ADN qui en résultent sont séparés par électrophorèse dénaturante et révélés par autoradiographie. 5

6 Les résultats obtenus sont les suivants : Présentez succinctement l objectif de cette technique et proposez un modèle explicatif argumenté de la régulation des opérons par Lrp. Question 4 : Quand une culture de E. coli passe de 30 C à 42 C, une vingtaine de protéines sont considérablement accrues en quantité. Ce sont les protéines de choc thermique (Heat shock protein ou hsp). Dans une expérience de transcription in vitro, on utilise comme ADN matrice une portion du génome d E. coli qui contient un promoteur de choc thermique (matrice M). On dispose : - de l ARN polymérase core-enzyme (c est-à-dire l enzyme seule purifiée), - du facteur sigma 70 (protéine qui assure la reconnaissance des séquences spécifiques des promoteurs), - et d extraits cellulaires semi-purifiés et préparés soit à partir de bactéries cultivées à 30 C («extrait 30 C»), soit à partir de bactéries cultivées à 30 C puis maintenues 15 min à 42 C («extrait 42 C»). L ADN matrice M est incubé dans des conditions ioniques convenables en présence de nucléotides triphosphates, dont l uracile radioactif, avec les protéines ou les extraits cellulaires mentionnés ci-dessous. Après 20 minutes d incubation, on précipite au TCA (acide trichloroacétique) et la radioactivité est mesurée pour toutes les conditions testées (expériences de A à D). Les résultats sont les suivants : A) + ARN pol core enzyme seul 150 cpm B) + ARN pol core enzyme + sigma 70 (= ARN pol holoenzyme) 150 cpm C) + ARN pol core enzyme + sigma70 + extrait 30 C 160 cpm D) + ARN pol core enzyme + sigma 70 + extrait 42 C cpm Formulez une hypothèse expliquant les résultats obtenus. 6

7 D autres expériences ont permis d identifier une protéine de 32 kda présente dans l extrait 42 C et capable d interagir avec l ARN polymérase. On réalise un test de transcription in vitro en ajoutant dans un tube cette protéine de 32 kda, l ARN polymérase coreenzyme, et un ADN matrice avec un tampon optimum. On teste l ADN matrice M, et deux autres ADN : l ADN matrice L et l ADN matrice N. Les produits de la transcription in vitro sont ensuite séparés par électrophorèse. Les résultats obtenus sont présentés ci-dessous : Pistes : Conditions testées : Pistes 1, 5, 9 : + ARN pol holoenzyme (=ARN pol core enzyme + sigma 70) Pistes 2, 6, 10 : + ARN pol core enzyme + extrait 42 C Pistes 3, 7, 11 : + ARN pol core enzyme + protéine 32 kda Pistes 4, 8, 12 : + ARN pol core enzyme Expliquez les résultats obtenus. 7

8 B. Le génome des eucaryotes : effet du génotype et de l'environnement sur le déroulement du cycle cellulaire des levures Saccharomyces pombe est une levure de forme cylindrique avec des extrémités arrondies. Les cellules mesurent de 3 à 4 µm de large sur 6 à 15 µm de long selon la période du cycle cellulaire. S. pombe se multiplie par fission transversale. 15 µm Document A. Cellules de S. pombe (M.O. x 600). Document B (à droite). Taille de la levure S. pombe au cours de son cycle cellulaire. L entrée en mitose est déclenchée lorsque la cellule a atteint une taille suffisante. 1. Effet de deux mutations sur le phénotype cellulaire de Saccharomyces pombe. De nombreux gènes impliqués dans le contrôle du cycle cellulaire (notamment les gènes CDC : cell division cycle) sont communs à tous les eucaryotes mais ils ont été identifiés en premier lieu chez les levures. On se propose d étudier le cas de deux mutants du CDC2 : mutant CDC2-33 et mutant CDC2-3w. Sur chacune des photographies cidessous, l encart montrant des cellules cultivées à 20 C permet de comparer l aspect des cellules. Document 1a. Cellules de S. pombe cdc2-33 cultivées à 37 C. M.O. x 600 (encart : souche normale au même stade). Document 1b. Cellules de S. pombe cdc2-3w cultivées à 37 C. M.O. x 600 (encart : souche normale au même stade). A partir de l exploitation des documents 1a et 1b mis en relation avec les informations fournies par les documents A et B, formuler une hypothèse sur l'influence du gène CDC2 sur le déroulement du cycle cellulaire. 8

9 2. Effet de la température sur le phénotype cellulaire de deux souches de Saccharomyces pombe On réalise ensuite une observation des mêmes mutants à des températures différentes. Document 2a. Souche cdc2-33 cultivées à 20 C. (Coloration par le bleu de méthylène, x 600). Les résultats de la culture à 37 C sont fournis par le document 1a. Document 2b. Souche cdc2-3w cultivées à 20 ou à 37 C. (Coloration par le bleu de méthylène, x 600). A partir de l exploitation des documents 1, 2a, et 2b mis en relation avec les informations fournies par les documents A et B, formuler une hypothèse sur l'influence de la température sur le déroulement du cycle cellulaire de ces deux souches. 9

10 Echelle des longueurs 1: Echelle des hauteurs : 1: Echelle des longueurs 1: Echelle des hauteurs : 1: Légendes: a 2 Alluvions modernes P Pliocène. Argile à galets du plateau de Lannemezan. Argile rouge ou ocre, plus ou moins sableuse, emballant des cailloux roulés où les quartzites prédominent. Epandage de nature torrentielle. m 3 Pontien. Argiles rouges ou grises plus ou moins sableuses à petits galets siliceux, de nature torrentielle. m 2 Tortonien inférieur et Helvétien. 150 m. Partie terminale du remplissage molassique d Aquitaine : marnes bariolées, glaises bigarrées, avec niveaux sableux, gréseux, graveleux, conglomératiques, et des intercalations de calcaires marneux et crayeux. e 2-1 Bartonien-Lutétien supérieur et moyen. 150 m. Poudingues de Palassou. Poudingues à galets surtout calcaires, alternant avec des grès jaunes et des marnes rubéfiées. On les trouve dans les fonds de synclinaux de Petites Pyrénées. e II-III Lutétien inférieur et Yprésien (marin). 70 m. Grès et marnes jaunes, au-dessus de calcaires massifs. Marnes à la base. e IV Sparnacien. 50 m. Marnes grises et marno-calcaires. e V Thanétien. 50 m. Calcaires durs. e VI Montien. 70 m. Ensemble complexe de marno-calcaires, plus ou moins gréseux, de sables et de calcaires compacts. c 9 Danien. 150 m. Calcaires durs lithographiques au somment, calcaires crayeux blancs à la base. c 8c Maestrichtien supérieur. 200 m. Marnes d Auzas : marnes argileuses à intercalations de calcaires marneux, de sables et de niveaux ligniteux. c 8b Maestrichtien moyen. 200 m. Calcaires nankin, bicolores, associés à des marno-calcaires noduleux mal stratifiés. c 8a Maestrichtien inférieur et Campanien. Marnes de Plagne et de Saint-Martory, de grande épaisseur, avec intercalations de calcaires lités et de grès argileux. N.B. : correspondance entre séries ou périodes et indices : m : Miocène ; e = Paléocène / Eocène ; c = Crétacé NOM : Prénom : A RENDRE AVEC LA COPIE 10

11 NOM : Prénom : A RENDRE AVEC LA COPIE Tableau 1 de la partie A Répondre en complétant le tableau 1 : indiquer oui ou non, suivant que l enzyme considérée est synthétisée ou pas. Tableau 2 de la partie A Indiquez dans le tableau 2 si la synthèse de β galactosidase est induite, constitutive (toujours synthétisée) ou réprimée (toujours inhibée) chez les différentes souches «diploïdes». 11