BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

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1 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Série : Sciences et Technologies de Laboratoire Spécialité : Biochimie Génie biologique SESSION 2012 Épreuve de Biochimie - Biologie Durée : 4 heures Coefficient : 6 L usage de la calculatrice n est pas autorisé. Ce sujet comporte 14 pages. Les pages 11 et 14 sont à rendre avec la copie. Les trois parties doivent être rédigées sur des copies séparées. Répartition des points I - Biochimie II - Biologie humaine III - Microbiologie 7 points 6 points 7 points 12BBGBME3/LR3 page : 1/14

2 ESCHERICHIA COLI O157:H7 Tous les animaux dont les êtres humains sont porteurs de bactéries de l espèce Escherichia coli. Cette espèce bactérienne appartient à la flore commensale de l intestin. Certaines souches d E.coli, notamment celles qui produisent des toxines, présentent toutefois un risque pour la santé de l Homme. Ces souches sont appelées STEC (E.coli productrices de shiga toxines). Ce type de toxine est responsable de diarrhées sanglantes pouvant entraîner un Syndrome Hémolytique et Urémique (SHU). Un des sérotypes les plus fréquemment isolés dans cette pathologie, est le sérotype O157:H7. I. BIOCHIMIE (7 POINTS) L identification d E.coli en laboratoire repose essentiellement sur ses caractères biochimiques, par exemple la présence d une β-galactosidase et l analyse des voies de fermentation. I.1 La β galactosidase d E. coli. La β galactosidase catalyse l'hydrolyse de β galactosides dont le lactose (β D galactopyranosyl (1 4) D glucopyranose). I.1.1 Écrire la réaction catalysée par la β galactosidase lorsque le substrat est le lactose ; préciser le nom des produits formés et leurs formules chimiques en représentation de Haworth. Donnée : le galactose est un épimère en C4 du glucose. I.1.2 Étude cinétique de la β galactosidase L activité de la β galactosidase est déterminée par la mesure de la vitesse d hydrolyse d un substrat de synthèse, l orthonitrophényl-β-d-galactopyranoside (ONPG). L'étude cinétique de la β galactosidase est réalisée à 25 C et à ph 7. I Écrire la réaction catalysée par la β galactosidase lorsque le substrat est l'onpg (formules chimiques non exigées). I A partir de l analyse du document 1, représenter et expliquer le sens de variation de l absorbance à 405 nm en fonction du temps. I Donner l'équation de Michaëlis-Menten en précisant la signification de chaque terme utilisé. I Déterminer graphiquement la valeur des paramètres cinétiques à l aide du document 2. Expliquer la démarche utilisée pour cette détermination graphique I Dans les mêmes conditions opératoires, le K M de la β galactosidase pour le lactose est de 15 mmol.l -1 Nommer le substrat pour lequel l enzyme a le plus d affinité. Justifier la réponse. 12BBGBME3/LR3 page : 2/14

3 I.2 Métabolisme glucidique d'e. coli. Escherichia coli dégrade le glucose en anaérobiose avec formation principalement de produits acides en proportions variables en fonction des conditions de culture (acide acétique, acide succinique, acide lactique, acide méthanoïque). I.2.1 Le document 3 présente les étapes de la glycolyse I Donner la localisation de cette voie métabolique. I Reporter sur la copie les numéros 1 à 11 du document 3 et donner le nom des molécules identifiées. I Représenter la formule semi-développée du 1,3-diphosphoglycérate. I Nommer la classe d enzyme à laquelle appartient la glycéraldéhyde 3- phosphate-déshydrogénase. I Dans la réaction catalysée par la glycéraldéhyde 3-phosphatedéshydrogénase, identifier la forme oxydée et la forme réduite du coenzyme. I Représenter la formule semi-développée du pyruvate. I Établir le bilan moléculaire de cette voie métabolique. I.2.2 Le pyruvate formé est à l'origine de la production par fermentation d'acide lactique selon la réaction suivante : Lactate déshydrogénase pyruvate + X acide lactique + Y I Donner une définition du terme fermentation. I Ecrire la réaction de production de l'acide lactique à partir du pyruvate en nommant X et Y (formule semi-développée de l'acide lactique exigée). I Préciser l intérêt métabolique de cette fermentation. I.2.3 Donner le nom de la voie empruntée par le pyruvate lorsque le glucose est dégradé en aérobiose. 12BBGBME3/LR3 page : 3/14

4 II. BIOLOGIE HUMAINE (6 POINTS) II.1 Les manifestations intestinales d une infection à E. coli O157:H7 Les symptômes de maladies provoquées par E.coli O157:H7 sont notamment des crampes abdominales et des diarrhées susceptibles d évoluer en diarrhées sanglantes. La bactérie produit une shiga toxine capable de léser les capillaires sanguins du tube digestif, ce qui entraîne une hémorragie. II.1.1 Définir le terme «hémorragie». II.1.2 L hémostase constitue un ensemble de réactions intervenant dans l arrêt de l hémorragie. Elle se déroule en trois étapes. Citer ces trois étapes. II.1.3 L une de ces étapes aboutit à la formation d un réseau de fibrine insoluble qui piège les différents éléments figurés du sang : c est le caillot sanguin. Le document 4 montre le schéma d un caillot sanguin. II Sur la copie, reporter les numéros 1 à 4 du document 4, et donner les légendes correspondantes. II Préciser quelle est la conséquence de la formation du caillot sanguin. II.1.4 Le document 5 présente une partie de la cascade de réactions de formation de la fibrine insoluble initiée par la prothrombinase. Le facteur V est un des facteurs plasmatiques de la coagulation. Une fois activé en facteur Va, il est le cofacteur du facteur Xa. La prothrombinase est un complexe formé d ions Ca 2+, de phospholipides (PL) et des facteurs Va et Xa. II Sur la copie, reporter les lettres A, B et C du document 5 et nommer les molécules correspondantes. II Lors d une infection par E.coli O157:H7, il y a inactivation du facteur V. A l aide des renseignements ci-dessus et du document 5, en déduire la conséquence de l inactivation du facteur V sur l hémorragie. II.2 Diagnostic sérologique d une infection à E. coli O157:H7 Pour réaliser le diagnostic d une infection à E.coli O157:H7, les anticorps antilipopolysaccharide (anticorps anti-lps) sont recherchés dans le sérum. II.2.1 Le schéma du document 6 présente la structure d un anticorps. II Sur le schéma du document 6 à rendre avec la copie : - représenter les régions constantes et les régions variables par un remplissage différent - indiquer la position des chaînes lourdes et des chaînes légères - entourer la (ou les) région(s) correspondant au paratope de l anticorps. II Expliquer le rôle du paratope. II Rappeler la nature biochimique d un anticorps. 12BBGBME3/LR3 page : 4/14

5 II.2.2 Différents anticorps anti-lps peuvent être recherchés dans le sérum : ils appartiennent à la classe des IgM et des IgG. Donner la signification de «Ig» et indiquer la principale différence de structure entre les IgG et les IgM. II.2.3 Les anticorps anti-lps apparaissent à la suite d'une infection par la bactérie. La réaction immunitaire provoquée par la bactérie est schématisée sur le document 7. II Sur la copie, reporter les numéros de 1 à 6 et donner les légendes correspondantes. II Sur la copie, reporter les lettres A à D et nommer les étapes correspondantes. II Sur la copie, justifier le titre donné au document 7. II.2.4 Pour le sérodiagnostic, des hématies sensibilisées avec l antigène O157 sont utilisées. Donner le résultat de la réaction de ces hématies avec le sérum d un patient ayant été infecté par la bactérie E. coli O157:H7. Justifier la réponse. II.3 Les manifestations du syndrome hémolytique et urémique E. coli O157:H7 produit une shiga toxine qui peut entraîner un syndrome hémolytique et urémique (SHU). Le SHU est une affection potentiellement grave affectant principalement les enfants en bas âge. Il se manifeste par une insuffisance rénale aiguë et par des atteintes hématologiques. Le diagnostic de la maladie se fait à partir d un hémogramme. II.3.1 Le document 8 présente le résultat de la numération des cellules sanguines chez un enfant atteint du SHU. Analyser le tableau du document 8 et nommer les anomalies cellulaires observées. II.3.2 Un des critères biologiques du SHU est l anémie de type hémolytique. Elle est révélée par la présence de schizocytes qui sont le résultat de la destruction mécanique des globules rouges. II Définir le terme «anémie». II En vous aidant du document 8 justifier l expression «anémie hémolytique». II Indiquer la conséquence de l anémie dans l organisme après avoir rappelé le rôle des hématies. II Proposer une technique permettant l observation microscopique de schizocytes dans le sang. 12BBGBME3/LR3 page : 5/14

6 III. MICROBIOLOGIE (7 POINTS) Escherichia coli fait partie de la flore commensale intestinale. Il existe cependant certaines souches pathogènes. La transmission de la souche E.coli O157:H7 à l Homme se fait par la consommation d aliments contaminés, viande hachée crue ou mal cuite et lait cru par exemple. III.1 Quelques caractéristiques d E.coli III.1.1 Définir l expression «flore commensale». Citer une de ses fonctions dans l organisme. III.1.2 Le serovar O157:H7 se définit par ses antigènes de paroi (Ag O) et flagellaires (Ag H). Il possède une ciliature péritriche. III Le document 9 présente la structure de la paroi des bactéries Gram négatives. Reporter sur la copie les numéros de 1 à 10 du document 9 et nommer les légendes correspondantes. III Préciser la nature biochimique du principal constituant des flagelles. III Schématiser une ciliature péritriche. Indiquer la conséquence de cette ciliature sur le déplacement des bactéries. III.2 Étude des conditions de croissance d E.coli O157:H7 Pour déterminer les types trophiques auxquels appartient E. coli O157:H7, on cultive cette bactérie sur deux milieux M1 et M2. Les conditions de culture et les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-dessous (les milieux sont incubés pendant la même durée, à la même température d incubation). Composition Milieu M1 Milieu M2 Glucose 5 g/l x K 2 HPO 4 1 g/l x x KH 2 PO 4 1 g/l x x NH 4 Cl 1 g/l x x MgSO 4, 7H 2 O 0,2 g/l x x FeSO 4, 7H 2 O 0,01 g/l x x NaCl 5 g/l x x MnCl 2, 4H 2 O 0,02 g/l x x Eau distillée qsp 1 L x x Conditions d incubation Atmosphère enrichie en CO 2 Air ambiant Résultat Absence de culture Présence de culture Légende : x = présence du composant dans le milieu de culture. III.2.1 Déduire des résultats du tableau ci-dessus, les types trophiques d E.coli. Justifier la réponse. III.2.2 Parmi les adjectifs : «empirique, semi-synthétique, synthétique», indiquer celui qui qualifie M2, en justifiant. 12BBGBME3/LR3 page : 6/14

7 III.2.3 La croissance en milieu non renouvelé d E.coli O157:H7 à 37 C est étudiée. A t = 0, un bouillon nutritif est ensemencé à partir de la culture en milieu M2. Des mesures spectrophotométriques réalisées à intervalles réguliers sur la culture permettent d établir la courbe de croissance présentée dans le document 10 (page 14/14), à rendre avec la copie. N correspond à la concentration bactérienne exprimée en bactéries par ml. III Sur la courbe du document 10, délimiter les différentes phases de la croissance en indiquant leur nom. Donner la signification physiologique de la première phase. III Définir le temps de génération et le déterminer graphiquement, en justifiant. (Donnée : Ln2 = 0,7). III Ecrire la formule permettant d obtenir la vitesse spécifique de croissance pendant la phase exponentielle (μ expo ) à partir du temps de génération. III.2.4 Escherichia coli O157:H7 peut se multiplier entre 6 C et 45 C. Indiquer comment évolue la valeur de G dans le cas d une culture effectuée à la température de 6 C. III.3 Production de shiga toxine. La shiga toxine est produite par E.coli O157:H7 lorsque celle-ci est infectée par un bactériophage tempéré (933 w) qui code cette protéine. III.3.1 La structure schématique du phage 933 w est donnée dans le document 11 (page 13/14). Nommer la symétrie de ce phage. III.3.2 Citer les étapes de l infection d une bactérie par un phage virulent. Préciser la principale différence existant entre une infection par un phage virulent et une infection par un phage tempéré. III.3.3 Pour identifier l origine des troubles causés par E.coli O157:H7, les deux expériences suivantes sont réalisées : Expérience 1 : L injection d une souche d E.coli O157:H7 à un lot de souris entraîne la mort des animaux. Les bactéries ne sont retrouvées qu au point d inoculation et l autopsie révèle des lésions au niveau de plusieurs organes, notamment des reins. Expérience 2 : L injection d un filtrat de culture provoque les mêmes conséquences sur les souris. Analyser les résultats des deux expériences. III.3.4 Cette shiga toxine ne fait pas partie de la paroi bactérienne. Conclure sur la classe de la toxine. Donner deux caractéristiques de cette classe de toxine. III.3.5 La capacité de synthèse de cette toxine est transmise aux générations suivantes. Expliquer cette affirmation. 12BBGBME3/LR3 page : 7/14

8 DOCUMENT 1 Spectres d absorbance de l ONP et de l ONPG Absorbance 0,500 ONPG ONP 0,400 0,300 0,200 0,100 1,00 0,90 0,80 0, DOCUMENT 2 Cinétique de la β galactosidase en présence d ONPG 1/Vi = f(1/[onpg] MR ) 1/Vi L.min.µmol -1 Longueur d onde (nm) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, /[ONPG] MR L.mmol -1 12BBGBME3/LR3 page : 8/14

9 DOCUMENT 3 Glucose 1 Glucose 6 phosphate 4 5 Phosphohexose isomérase Fructose 6 phosphate 2 Fructose 1,6 bisphosphate 6 7 Aldolase Dihydroxyacétone phosphate Glycéraldéhyde-3-phosphate CHO CHOH CH 2 O P Glycéraldehyde-3-P deshydrogénase 3-P glycérate kinase 1,3-diphosphoglycérate NAD + + P i NADH,H phosphoglycérate COOH CHOH CH 2 O P Phosphoglycérate mutase H 2 O 2-phosphoglycérate Enolase Phosphoénolpyruvate 3 pyruvate BBGBME3/LR3 page : 9/14

10 DOCUMENT 4 Schéma d un caillot sanguin 7,5 µm DOCUMENT 5 Formation de la fibrine 12BBGBME3/LR3 page : 10/14

11 DOCUMENT 6 A COMPLETER ET A RENDRE AVEC LA COPIE Représentation simplifiée d un anticorps 12BBGBME3/LR3 page : 11/14

12 DOCUMENT 7 Réaction immunitaire spécifique à médiation cellulaire Etape A Etape B Etape C Etape D Eléments figurés du sang DOCUMENT 8 Extrait de l hémogramme Valeur absolue par dm 3 de sang déterminée chez un enfant atteint du SHU Valeurs physiologiques par dm 3 de sang chez l enfant Erythrocytes 3, ,5 à 5, Leucocytes 9, ,0 à 10, Thrombocytes 1, ,0 à 4, BBGBME3/LR3 page : 12/14

13 DOCUMENT 9 Structure de la paroi des bactéries à Gram négatif DOCUMENT 11 Structure du phage tempéré 933 w 12BBGBME3/LR3 page : 13/14

14 DOCUMENT 10 A COMPLETER ET A RENDRE AVEC LA COPIE Courbe de croissance d E.coli O157:H7 en milieu non renouvelé à 37 C Ln N t(h) 12BBGBME3/LR3 page : 14/14