La phase non photochimique de la photosynthèse. Montrez que les expériences décrites sur les documents mettent en évidence que la synthèse de glucides

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1 EXERCICE 2 : sur 5 points. La phase non photochimique de la photosynthèse La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes. C est la succession de deux phases : - Une phase photochimique où, grâce à l énergie lumineuse, il y a production d O 2, d ATP et de composés réduits TH 2 ; - Une phase non photochimique qui permet l incorporation et la réduction de CO 2 pour la synthèse de glucides. Montrez que les expériences décrites sur les documents mettent en évidence que la synthèse de glucides nécessite un accepteur de CO 2 (C 5 P 2 ), de l ATP produit lors de la phase photochimique, et fait intervenir des composés intermédiaires (APG et C 3 P). Document 1 On éclaire en continu une culture de chlorelles. On fait varier la quantité de CO 2 radioactif fourni aux algues et on mesure les variations de concentration de deux molécules marquées par le 14 CO 2 ; le Ribulose BisPhosphate (RubisP = C 5 P 2 ), corps en C 5 et l Acide PhosphoGlycérique (APG), corps en C 3. Les résultats sont figurés sur le graphique ci-contre. Document 2 On fournit à une suspension d algues éclairées du CO 2 radioactif, pendant un très bref instant matérialisé sur le graphe ci-contre par l espace AB. On évalue ensuite, dès la fin de l exposition au 14 CO 2, la variation du pourcentage de radioactivité en fonction du temps pour trois composés : PGA (= APG), C 3 P et glucides. Les résultats sont traduits sur le graphique ci-contre. Document 3 Une suspension de chlorelles reçoit du CO 2 radioactif en continu. Elle est éclairée pendant 30 minutes, puis est placée à l obscurité. On mesure au cours du temps la radioactivité de l APG, du RubisP et des hexoses formés. Les résultats sont traduits sur le graphique ci-contre.

2 EXERCICE 2 : sur 5 points. Production de dioxygène et synthèse de matière organique par les végétaux chlorophylliens La production de dioxygène par les végétaux chlorophylliens est associée à la synthèse de molécules organiques. Montrez en quoi les informations extraites de l analyse des documents 1 à 3 confirment l affirmation précédente et permettent de préciser à quel moment interviennent les réactions productrices de dioxygène par rapport à celles qui sont impliquées dans l incorporation du CO 2 dans les molécules organiques.

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4 EXERCICE 2 : sur 5 points. On cherche à établir les relations entre l absorption de lumière, l ATP et la synthèse de molécules organiques dans les chloroplastes d une cellule chlorophyllienne. Répondez au problème posé à l aide des résultats expérimentaux présentés dans les documents 1 à 3. Document 1 Les chlorelles sont des algues vertes unicellulaires. A la suite d une mutation, on a pu obtenir des chlorelles incolores. A la lumière, après plusieurs jours de culture dans un milieu exclusivement minéral, on constate que seules les chlorelles vertes se multiplient alors que la population de chlorelles incolores reste stable. Cultivées dans les mêmes conditions mais à l obscurité, ni les chlorelles vertes ni les chlorelles incolores ne se multiplient. Document 2 Des chloroplastes isolés intacts sont mis en suspension dans un milieu nutritif contenant de l ADP et des phosphates inorganiques (Pi) marqués au 32 P. On étudie l incorporation dans l ATP de ce Pi radioactif par les chloroplastes dans différentes conditions d éclairement variables dans le temps. La figure 1a traduit le résultat de cette étude, tandis que la figure 1b rappelle le spectre d absorption des radiations lumineuses par une suspension de ces mêmes chloroplastes. Longueurs d onde des radiations (nm) Figure 1a : Incorporation dans l ATP de 32 P radioactif par une suspension de chloroplastes en fonction de l éclairement Figure 1b : Spectre d absorption d une suspension de chloroplastes

5 Document 3 Des expériences sont réalisées à partir de fragments de chloroplastes séparés en deux fractions : - Une fraction constituée uniquement de thylakoïdes exposés à la lumière ; - Une fraction liquide provenant du stroma, laissée à l obscurité et additionnée de CO 2 marqué à l isotope radioactif 14 C du carbone. Les expériences et leurs résultats sont consignées dans la figure 3a. La figure 3b représente schématiquement l organisation ultrastructurale d un chloroplaste. Conditions expérimentales Quantité de 14 CO 2 fixé dans le stroma, mesurée en coups par minute 1 Stroma laissé à l obscurité + ATP Stroma laissé à l obscurité Stroma laissé à l obscurité et thylakoïdes ayant séjourné à la lumière Figure 3a : Résultats des expériences sur les conditions de fixation du CO 2 dans les chloroplastes Figure 3b : Représentation schématique d un chloroplaste

6 EXERCICE 2 : sur 5 points. Les feuilles des végétaux chlorophylliens sont des organes impliqués dans l'autotrophie pour le carbone grâce à la photosynthèse. Expliquer comment les structures de la feuille, montrées dans les documents, coopèrent dans la réalisation de la photosynthèse. On tiendra compte de la qualité de la construction du raisonnement. Document 1 : Fixation du dioxyde de carbone ( 14 C0 2 ) par une feuille. 1a : Dispositif expérimental Remarque : H 2SO 4 + NaH 14 CO CO H 2O + 2 Na + + SO 4 2-1b : Autoradiographie après 5 minutes d exposition au 14 CO 2 à la lumière. Seuls les glucides radioactifs au 14 C impressionnent fortement la plaque photographique (zone sombre sur le document). 1 goutte de H 2SO 4 NaH 14 CO 3 Portion de la feuille libre Face inférieure Portion de feuille emprisonnée dans du papier opaque Document 2 La carboxylase est une enzyme qui assure l'incorporation de C0 2 dans des molécules intermédiaires pour la synthèse de glucides. C 5 P 2 + CO 2 2 APG Glucides C 5 P 2 : RibulosebisP Rôle de la Carboxylase APG : Acide phosphoglycérique Elle est localisée par la technique d immunofluorescence : les organites contenant cette enzyme apparaissent en blanc brillant. Coupe transversale de feuille de betterave x 130 SVT terminale D, Nathan 1989

7 Document 3 3a : Photographie d'une coupe transversale de feuille x 130 3b : Degré d'ouverture des stomates chez Arbutus unedo (arbousier) pendant une journée ensoleillée Ouverture des stomates (% de l ouverture maximale) Heure de la journée Epiderme supérieur Intensité photosynthétique (ng CO 2.cm -2.s -1 ) Parenchyme chlorophyllien palissadique Parenchyme chlorophyllien lacuneux Epiderme inférieur Stomate 3c : Intensité de la photosynthèse chez Arbustus unedo, exprimée par la quantité de CO 2 fixée Heure de la journée D'après "Stomata" Willmer et Fricker, éditeurs Chapman et Hall

8 Pratique du raisonnement scientifique EXERCICE 2 : sur 5 points avec les connaissances Production d'oxygène et photosynthèse La phase photochimique de la photosynthèse aboutit à une production de dioxygène et de composés intermédiaires réduits RH 2. A partir des informations extraites des documents 1 à 3 mises en relation avec vos connaissances, décrivez l'enchaînement des mécanismes qui aboutissent à ces productions. Document 1 : Expérience d'engelmann Une préparation microscopique, réalisée en plaçant une algue verte filamenteuse entre lame et lamelle dans une goutte d eau, est éclairée par un spectre de la lumière (juxtaposition de bandes de lumière colorée correspondant aux différentes longueur d onde). Des bactéries mobiles, recherchant le dioxygène, sont alors ajoutées dans la préparation. Le schéma ci-contre présente la répartition des bactéries après quelques minutes. Rouge Orange Jaune Vert Bleu Spectre de la lumière Longueur d onde de la lumière (en nm) Document 2 : Concentration en dioxygène d'une culture d'algues vertes soumise à différentes conditions expérimentales Des algues vertes unicellulaires sont cultivées dans un milieu nutritif constitué d'eau H 2 16 O et de substances minérales. Au temps zéro, l'eau du milieu nutritif contient autant de dioxygène dissous sous forme 18 O 2 que sous forme 16 O 2. On rappelle que les algues vertes respirent. 16 O 2 18 O 2

9 Document 3 : Expérience de Hill Document 3a Dans les conditions naturelles, il existe dans le stroma des chloroplastes un accepteur d'électrons et de protons noté R à l'état oxydé et RH 2 à l'état réduit. Document 3b On réalise un broyat de feuilles d'épinards de manière à obtenir une suspension de chloroplastes et de mitochondries. Lors du broyage, les thylakoïdes restent intacts mais les constituants du stroma se trouvent dilués dans le milieu d'extraction et ne peuvent plus intervenir dans les réactions. Cette suspension est placée dans une enceinte permettant de suivre les variations de la teneur du milieu en dioxygène dans différentes conditions. Le réactif de Hill est un accepteur d'électrons : lorsqu'il accepte un électron, il passe de l'état oxydé à l'état réduit.

10 EXERCICE 2 : sur 5 points. Dans un écosystème, on distingue deux types d organismes interdépendants : des êtres vivants autotrophes pour le carbone (comme les végétaux chlorophylliens) et des êtres vivants hétérotrophes (comme les animaux). A partir de l étude des documents mis en relation avec vos connaissances, vous montrerez qu une telle complémentarité des métabolismes existe aussi entre les organes d un végétal chlorophyllien. On demande d identifier ces métabolismes à partir des seules données des documents et d en donner l équation bilan. Aucun détail du fonctionnement des organites n est attendu. Un schéma illustrant votre étude est attendu à l échelle de l organisme. Document 1 : Un jeune plant de blé, végétal chlorophyllien Document 2 : Données biochimiques 2a : Rappel de bilans de transformations de glucides chez les végétaux chlorophylliens Saccharose + eau glucose + fructose Amidon + eau saccharose 2b : Composition de l extrémité de la racine L extrémité des racines de jeunes plants de blé est prélevée sur 1 cm et broyée à froid. Le jus obtenu (JR) est centrifugé. Une chromatographie est aussitôt réalisée pour déterminer les sucres présents. Les résultats obtenus sont présentés avec le calque d interprétation légendé. S = saccharose ; G = glucose M = maltose; F = fructose JR = jus des jeunes racines de blé

11 2c : Composition de la sève élaborée La sève élaborée se forme dans la feuille, organe source, puis elle est distribuée à tous les autres organes de la plante, des racines aux bourgeons. Un prélèvement de sève élaborée du blé (localisation sur le document 1) a permis de réaliser une chromatographie dans les mêmes conditions que celles de l extrémité des racines de blé (voir document 2b). On constate qu un seul glucide est ainsi mis en évidence : le saccharose. Document 3 : Métabolisme des cellules de feuilles et des racines du plant de blé Avec une sonde oxymétrique, le dioxygène d un milieu de culture est mesuré pendant 4 minutes dans différentes conditions expérimentales (ExAO). 3a : Mesure sur des cellules de racines On prélève sur les jeunes plants de blé l extrémité (1 cm) des racines. Ces fragments de racine sont mis en suspension dans un milieu strictement minéral et exposés à l obscurité ou à la lumière par périodes de 1 minute. Pendant la dernière période, on introduit du cyanure qui bloque le métabolisme respiratoire. 3b : Mesure sur des cellules de feuilles On prélève sur les jeunes plants de blé des feuilles bien vertes. Les fragments de feuilles sont soumis aux mêmes conditions expérimentales que les fragments de racines.

12 EXERCICE 2 : sur 5 points. Respiration et compartiments cellulaires La respiration cellulaire correspond à la dégradation complète de composés organiques comme le glucose. Cette dégradation correspond à une oxydation complète du carbone organique qui est minéralisé sous forme de CO 2. La respiration comporte plusieurs étapes qui se déroulent dans différents compartiments cellulaires. Après avoir justifié la reconnaissance des compartiments A et B de la cellule du document 1, vous analyserez les expériences des documents 2 et 3 pour identifier certaines étapes de la respiration cellulaire. Vous signalerez à quelles étapes se fait la production d ATP. Document 1 Document 2 Des mitochondries sont isolées par centrifugation. Elles sont ensuite introduites dans un appareil de mesure contenant une solution tampon riche en O 2 et en ions phosphate. On mesure l évolution du taux d O 2 dans l appareil après injection de glucose puis de pyruvate. Document 3 On étudie la production d énergie par les cellules animales au cours de la respiration. On cultive des cellules animales sur un matériel très oxygéné contenant du glucose radioactif marqué en 14 C. On désigne ce glucose par la lettre G.Des prélèvements effectués aux temps t 0, t 1, t 2, t 3 et t 4 permettent de noter l apparition de nouvelles substances radioactives : - Du pyruvate désigné par la lettre P ; - Du dioxyde de carbone (CO 2 ). La localisation de ces produits en fonction du temps est donnée par le document 1. Milieu externe Milieu cellulaire Compartiment A Compartiment B Temps G t 0 G ++ G +++ t 1 P +++ P ++ t 2 + CO 2 P +++ t 3 CO : quantité importante de produits radioactifs ; + : quantité faible t 4

13 EXERCICE 2 : sur 6 points. Métabolisme énergétique des cellules musculaires On définit 2 types d effort physique : - L endurance : l effort est modéré mais prolongé ; - La résistance : l effort est intense mais de courte durée. Les muscles contiennent 2 types de fibres : des fibres de type I et des fibres de type II. Au cours d un effort d endurance, les fibres de types I sont les plus sollicitées, alors que les fibres de type II le sont lors d un exercice intense et de courte durée. En exploitant les documents 1 à 3 et en utilisant vos connaissances, expliquez par quelles voies métaboliques l organisme répond à la demande énergétique pour ces 2 types d effort. Document 1 : Electronographies de fibres musculaires (vues de détail au MET) Fibre I Fibre II D après Didier, TS 2002 Document 2 : Données biologiques sur les fibres musculaires Composés métaboliques présents Glycogène* ATP synthétase Type I Types de fibre musculaire Type II : en abondance; + : très peu; *Glycogène : polymère de glucose Document 3 : Données sur le métabolisme énergétique cellulaire Métabolisme Localisation dans la cellule Quantité d ATP produite (par mole de glucose) Glycolyse Cytoplasme 2 Dégradation totale du pyruvate Mitochondrie 34 à 36

14 EXERCICE 2 : sur 5 points. Les levures sont des champignons unicellulaires capables de vivre en présence comme en l absence d oxygène gazeux (O 2 ). En mettant en relation les informations tirées des documents proposés, comparez les caractéristiques de ces deux modes de vie chez les levures et localisez sur le document 3 les principales réactions métaboliques impliquées, dont vous rappellerez les équations bilan. Document 1 : Bilans de la respiration cellulaire et de la fermentation alcoolique Respiration : Energie produite par mole de glucose : kj dont kj perdus sous forme de chaleur. Fermentation : Energie produite par mole de glucose : 167 kj dont 106 kj perdus sous forme de chaleur. Document 2 : Croissance d une population de levures dans un milieu aéré initialement riche en glucose Notez que chez la levure : - La respiration est inhibée quand la concentration en glucose est supérieure à 1 g.l -1 ; - L éthanol (C 2 H 5 OH) constitue un substrat de la respiration. Document 3 : Schémas de cellules de levures observées au microscope électronique (MET) A gauche, cellule de levure prélevée à t = 2 heures dans le milieu de culture du document 2. A droite, cellule de levure prélevée à t = 20 heures dans le milieu de culture du document 2. t = 2 h t = 20 h Document 4 : Bilan quantitatif de la respiration et de la fermentation chez la levure Respiration Fermentation Augmentation de biomasse 0,6 g 0,02 g Masse O 2 utilisée 1,07 g - Volume O 2 utilisé 0,75 L - Masse CO 2 dégagée 1,45 g 0,45 g Volume CO 2 dégagé 0,74 L 0,23 L Masse alcool formée - 0,46 g Résultats obtenus pour 2 g de levures cultivées dans un milieu contenant 1 g de glucose.

15 EXERCICE 2 : sur 5 points. Transport d ions et métabolisme des hématies Les hématies des Vertébrés sont plus riches en ions K + et plus pauvres en ions Na + que le plasma dans lequel elles baignent. Ces différences de concentration sont maintenues grâce au fonctionnement de protéines-pompes "sodium-potassium" membranaires. Tout arrêt du fonctionnement de ces pompes par manque d ATP entraîne une baisse de la concentration intracellulaire des ions K + et une hausse de celle des ions Na +. A partir des informations extraites de l analyse des documents 1 à 3, comparez les mécanismes par lesquels les hématies humaines et celles du poulet renouvellent l ATP nécessaire au fonctionnement des pompes membranaires sodium-potassium. Document 1 Les hématies humaines sont des cellules dépourvues de noyau et d organites cellulaires. En revanche les hématies de poulet sont nuclées et contiennent plusieurs organites, notamment de nombreux exemplaires de l organite X ci-contre. Document 2 : Données relatives aux hématies humaines a. Concentrations des ions Na + et K + dans les hématies avant et après stockage à 4 C pendant 7 jours dans le plasma ; à basse température, le métabolisme des hématies est considérablement réduit. Na + K + Avant stockage au froid Après stockage au froid Les concentrations sont exprimées en mmol.l -1 b. Concentrations d ions Na + et K + dans les hématies d abord conservées à 4 C pendant 7 jours puis placées à 37 C dans un milieu dont les concentrations en Na + et K + sont celles du plasma, en présence d un métabolite ou non. Composition du milieu (37 C) Na + K + Sans glucose Avec glucose Avec pyruvate Avec glucose et inhibiteur de la glycolyse Avec pyruvate et inhibiteur de la glycolyse Les concentrations sont exprimées en mmol.l -1 et ont été déterminées après 18 h d incubation dans le milieu On rappelle que la glycolyse est l ensemble des réactions chimiques assurant l oxydation du glucose en pyruvate

16 Document 3 : Données relatives aux hématies de poulet Le protocole expérimental est exactement le même que pour les hématies humaines. a. Effet de la conservation au froid (métabolisme réduit). b. Action de divers métabolites. Na + K + Avant stockage au froid Après stockage au froid Les concentrations sont exprimées en mmol.l -1 Composition du milieu (37 C) Na + K + Sans* glucose Avec glucose Avec pyruvate Avec glucose et inhibiteur de la glycolyse Avec pyruvate et inhibiteur de la glycolyse Les concentrations sont exprimées en mmol.l -1 et ont été déterminées après 18 h d incubation dans le milieu * Les hématies de poulet ont des «réserves» de glucose que n ont pas les hématies humaines

17 EXERCICE 2 : sur 5 points avec les connaissances Les produits initiaux formés au cours de la photosynthèse sont utilisés et circulent dans la plante. On s intéresse ici à leur devenir. A partir de l exploitation des documents et leur mise en relation, décrivez les devenirs possibles, dans l ensemble de la plante, des substances organiques issues de la photosynthèse. Document 1 : Evolution des transferts de substances organiques depuis une feuille de pois (marquée * sur le schéma) au cours de son développement

18 Document 2 : Composition de la matière sèche des réserves des grains de blé Document 3 : Evolution de la quantité des réserves organiques racinaires au cours de l année chez le châtaigner

19 EXERCICE 2 : sur 5 points. Caractéristiques et rendement de la fermentation alcoolique Les Levures sont des champignons unicellulaires. A partir des trois documents mis en relation avec vos connaissances, retrouvez les caractéristiques de la fermentation alcoolique, puis comparez son rendement à celui de la respiration cellulaire. Document 1 : Le développement des Levures et la production d'atp Dans deux milieux de culture de même volume, contenant de l'eau et du glucose, on ajoute une même quantité de Levures. Ces deux milieux sont placés quelques jours dans des conditions favorables identiques, mais l'un des milieux contient du dioxygène, l'autre non. 1a Document 1a : Observation des Levures au microscope optique (x 700) En début d'expérience, les Levures sont identiques dans les deux milieux. Document 1b : Résultats au bout de quelques jours de culture Milieux de culture Observation des Levures au microscope optique (x700) Quantité de moles d'atp produites par mole de glucose consommée En présence de dioxygène 36,3 En absence de dioxygène 2 D après Terminale S Spécialité HATIER

20 Document 2 : Une expérience historique de Pasteur Conditions expérimentales Résultats obtenus Expérience 1 : Au contact du dioxygène de l'air Quantité d'éthanol (alcool) produite par les Levures Rendement de la culture exprimé par la quantité de Levures formées en mg par g de glucose consommé traces 250 Expérience 2 : Air appauvri en dioxygène Expérience 3 : Absence de dioxygène ,7 Le nombre de signes (+) est proportionnel à la quantité mesurée. D après «Nutrition et métabolisme», P. Mazliak Document 3 : Les Levures en fermentation alcoolique Une cuve hermétique est reliée à une sonde qui permet de mesurer la concentration en dioxyde de carbone. On remplit totalement la cuve avec une suspension de levures : le milieu est dépourvu de dioxygène et les Levures ne peuvent que pratiquer la fermentation alcoolique. Au début de la manipulation (t = 0 min), on injecte dans la cuve une solution de glucose. Document 3a : Évolution de la concentration en dioxyde de carbone dans la cuve en fonction du temps Document 3b : Évolution de la quantité de glucose dans le milieu Quantité de glucose En début de manipulation (à t = 0 min) En fin de manipulation (à t = 7 min) Le nombre de signes (+) est proportionnel à la quantité de glucose. D après Terminale S Spécialité NATHAN et DIDIER

21 EXERCICE 2 : sur 5 points. La contraction des cellules musculaires est une activité qui consomme de l'atp. L'ATP n'étant pas stocké dans les cellules, il doit être régénéré en permanence. Exploitez les informations apportées par l'étude des documents pour montrer quelles sont les voies métaboliques utilisées et quel est l'effet de l'entraînement dans la production d'atp par la cellule musculaire. Document 1 : Les mitochondries des cellules musculaires Électronographie d'une coupe transversale partielle d'une fibre musculaire (x 16000) Informations complémentaires Le volume total de mitochondries est égal à 5% du volume du cytoplasme de la cellule musculaire chez un individu non entraîné contre 11% chez un individu entraîné. De plus, l activité des enzymes mitochondriales est plus importante chez un individu entraîné que chez un individu non entraîné. D après le métabolisme énergétique chez l Homme. Nathan lnserm

22 Document 2 : Modification des paramètres sanguins de part et d'autre d un muscle Le tableau suivant donne la concentration de dioxygène, de dioxyde de carbone, de glucose et d'acide lactique dans le sang artériel arrivant au muscle et dans e sang veineux partant du muscle pendant un exercice physique. Sang artériel Sang veineux Teneur en O 2 (ml. 100mL -1 ) 21,2 5,34 Teneur en CO 2 (ml. 100mL -1 ) Teneur en glucose (mmol. L -1 ) 4 2 Teneur en acide lactique* (mmol.l -1 ) <1 2,8 D après Didier 2 nde 2000 et Hatier 1 ère S 1993 L'acide lactique est un produit de la fermentation lactique dont l'équation bilan est la suivante. Glucose + 2 T 2 Pyruvates + 2 T H 2 2 Lactates + 2 T 2 (ADP + Pi) 2 (ATP + H 2O) T' T H2 composé oxydé composé réduit Document 3 : Production d'acide lactique et consommation de dioxygène chez un individu non entraîné et chez un individu entraîné pour un exercice de puissance donnée. N.B. : On considère que les changements constatés à l'échelle de l'organisme sont dus principalement à l'activité des muscles pendant l'exercice. D après Nathan 1 ère S Sciences expérimentales

23 EXERCICE 2 : sur 5 points. Autotrophie et hétérotrophie sont deux types majeurs de métabolisme chez les êtres vivants A partir des informations extraites des documents 1 à 3 mises en relation avec vos connaissances, montrez quel est le type de métabolisme utilisé par les végétaux chlorophylliens. Document 1 : Bilan de 2 processus biologiques Respiration C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + énergie Photosynthèse 6 CO H 2 O + lumière C 6 H 12 O O 2 Document 2 : Échange de dioxygène chez un végétal chlorophyllien : Helodea canadensis La figure ci-contre présente un montage réalisé avec un végétal chlorophyllien. Le gaz dégagé ravive la combustion d une allumette incandescente. Ce dégagement nécessite de la lumière. D après R. Heller - Physiologie végétale- collection Abrégé Masson Dégagement gazeux par des rameaux d Helodea canadensis (à la lumière) Document 3 : Échange de dioxyde de carbone, au niveau d une feuille, par un végétal chlorophyllien La figure ci-contre présente un montage effectué avec des feuilles d un végétal chlorophyllien. Au temps initial les trois tubes contiennent une solution jaune de bleu de bromothymol (ph légèrement acide). Quelques heures après la solution vire au bleu dans le tube 2 (ph basique). Elle reste jaune dans les deux autres. On rappelle : D après P. Peycru biologie BCPST Dunod Lumière Lumière

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