Métabolisme et information génétique en classe de seconde.

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1 Métabolisme et information génétique en classe de seconde. Les élèves ont au préalable étudié la membrane plasmique. Ils définissent un être vivant unicellulaire comme un espace clos par une limite semi-perméable. Le cytoplasme est donc un milieu de composition chimique différente de celle du milieu extérieur. L objectif est de déterminer si le cytoplasme est une simple solution ou s il s y déroulent des évènements particuliers. Programme : Connaissances : De nombreuses transformations chimiques se déroulent à l intérieur de la cellule : elles constituent le métabolisme. Il est contrôlé par les conditions du milieu et par le patrimoine génétique. Capacités et attitudes : - comprendre les mécanismes d une démonstration expérimentale : comparaisons, tests, témoins. Réaliser une préparation microscopique et/ou utiliser des logiciels et/ou organiser et recenser des informations pour distinguer les échelles : atome, molécule, cellule, organe, organisme et les ordres de grandeur associés. On se propose d étudier des cellules de deux variétés de petits pois, lisses et ridés. Document : Deux petits pois aux phénotypes bien différents... Fruit d'une plante herbacée annuelle, le pois de jardin serait un dérivé du pois des champs résultant de centaines d'années de culture et de sélection en vue d'obtenir certaines caractéristiques. Le pois est originaire d'asie centrale et d'europe et est connu des Chinois depuis plus de ans. Il était également très apprécié des Grecs, des Romains et des Égyptiens de l'antiquité. Il fut introduit en Amérique au XIX e siècle. Il existe plus de cultivars (1) de pois, comprenant les pois lisses, les pois ridés et les pois mange-tout (nommés surtout «pois gourmands» en Europe). Les pois lisses poussent mieux sous les climats froids. Ils sont plus farineux (car plus riches en amidon) que les pois ridés. Ils sont surtout utilisés par l'industrie de la congélation. Les pois ridés sont plus sucrés et sont surtout destinés à la mise en conserve. (1) Cultivar : Ensemble de plantes cultivées pour leurs caractéristiques communes intéressantes pour l'horticulture, la foresterie, l'agriculture ou l'aquaculture. Variété obtenue par sélection au cours de cultures successives. (à chaque génération, on conserve les variants qui possèdent le caractère recherché et on ne replante que ceux là) Contraction des mots "variété cultivée" ("cultivated variety" en anglais); équivalent de variété horticole.

2 La description des phénotypes montrent que des caractères «visibles à l œil nu», des caractères concernant le goût et des caractéristiques moléculaires sont corrélés. L analyse du texte amène les élèves à faire différentes propositions généralement répartissables en deux ensembles : Si les petits pois sont différents c est que leurs cellules fonctionnent différemment (elles fabriquent des molécules différentes) (1) Si les petits pois sont différents c est parce qu ils ont hérités de caractères différents de leurs parents. On se propose donc de préciser les mécanismes qui ont lieu dans les cellules des différents petits pois.

3 Observations microscopiques de «purées» de petits pois. «Purée» de pois lisse + eau iodée «Purée» de pois ridés +eau iodée (N.B : même masse de pois que plus haut dilué dans la même quantité d eau)/ L eau iodée met en évidence la présence d amidon sous forme de grains dans les deux types de petits pois. Ces grains sont fabriqués dans le cytoplasme des cellules du petit pois (vérifiable par des coupes mais ces dernières sont plus délicates à réaliser ce qui est problématique pour des élèves de seconde vue la durée classique des séances des travaux pratiques.) Pour préciser, il est proposée une étude qualitative et quantitative des grains d amidons dans chacun des petits pois.

4 Comptage des grains sur cellule de Malassez. Dans les TP expérimentés, deux purées de petits pois sont préparées à partir de 100g de grains secs avec la même quantité d eau. LE tout est filtré grossièrement (afin d être sûr que les graisn d amidon ne sont pas éliminés par la filtration). Des dilutions de ces purées sont proposées aux élèves en vue d un comptage sur cellule de Malassez. En raison des nombreux débris non éliminées par la filtration il est préférable de colorer les suspensions avec de l eau iodée : on rajoute un volume identique d eau iodée à toutes les dilutions que l on désire utiliser. Le comptage s effectue grâce à un dispositif de numérisation et au logiciel MESURIM (image ci de sous sur une suspension non colorée) Un groupe d élève ne compte qu une suspension, soit de pois lisse soit de pois ridé. Les résultats sont mis ensuite en commun. A titre indicatif Pois ridé : comptage sur 40 petits carrés : 69 (1,8 grains / carrés) soit grains d amidon par mm3 Pois lisse : comptage sur 400 petits carrés : 141 (0,3525 grains / carrés) soit 3525 grains d amidon par mm3 Les résultats montrent généralement qu il existe un plus grand nombre de grains dans le pois ridé que dans le pois lisse (jusqu à 5 fois plus)! Toutefois, la grosseur des grains d amidon dans le pois lisse pousse à négliger probablement les plus petits d entre eux, le comptage ne s effectuant pas au même grossissement microscopique. Il existe une grande variabilité des résultats chez les élèves, surtout chez le pois ridé, en raison de la petitesse des grains et des nombreux débris présents dans les suspensions interprétés parfois à tord comme des grains d amidon

5 Etude qualitative : En parallèle du comptage, il est demandé aux élèves d évaluer la taille (on prend comme valeur à mesurer le plus grand diamètre, par exemple) et de décrire la forme des gains d amidon. Les mesures de taille sont effectués sur plusieurs grains afin d avoir un effet statistique (sur une salle de TP, on obtient facilement une vingtaine de valeur à mettre en commun pour chacun des deux types de pois)

6 A titre indicatif : Mesure du plus grand diamètre (µm) pois ridé pois lisse 9,7 34,7 6,8 18,6 13,5 12 6,41 14,4 8,8 22,5 8,7 21,4 13,8 18,9 12,2 10,3 11,9 19,8 11,9 20,3 11,6 20,4 33,6 28,8 13,8 16 9,56 18,2 9,62 18,8 14,5 27,3 10, ,1 26, ,91 7 Moyennes (µm) : 11,9 19,3 Aspect des grains d amidon en microscopie (coloration à l eau iodée). Grain d amidon de pois lisse. grain d amidon de pois ridé.

7 Mise en relation attendue : L amidon n est pas fabriqué de la même façon par les cellules de pois lisses ou de pois ridés. Ce n est pas tant la quantité que la «qualité» de l amidon qui est différente. Info : amidon= amylose+amylopectine Chez les pois lisse l amylopectine est majoritaire Chez certains pois ridés c est l amylose qui est largement majoritaire, il y a peu ou même pas d amylopectine. Comparaison du glucose / amylose et amylopectine sous RasTop Voir les différents fichiers proposés : portion d amylopectine (ne figure que le branchement latéral), amylose (deux morceaux de longueur et conformation différentes) et glucose. (Ci-dessous un exemple avec trois des 5 fichiers disponibles) Info : Un mélange d amylose et d amylopectine forme un réseau dans les mailles duquel des molécules d eau peuvent s intégrer. Le réseau «hydraté» est alors susceptible d augmenter de volume. Mises en relation attendues : Le fait d être ridé ou lisse dépend d une information héréditaire. Le fait d être sucré ou non aussi et ces deux caractères ne vont pas l un sans l autre. Si les petits pois sont ridés c est parce que leur amidon est sous forme presqu exclusivement d amylose et non d amylopectine (donc l hydratation ne provoque pas chez eux un gonflement assez important pour «dérider» la graine). De plus ils sont plus pauvres en amidon que les pois lisses. L amylopectine et l amylose sont des assemblages de glucose. Dans une cellule de pois on peut donc penser qu il existe des réactions biochimiques qui permettent la liaison de glucoses pour former les macromolécules constituant l amidon. Seulement ces réactions ne sont pas les mêmes chez un pois lisse et chez un pois ridé : Pois lisse : Glucose => amylose => amylopectine

8 Pois ridé : Glucose => amylose Info : le goût sucré n est jamais du à l amidon (qui donne un goût farineux, surtout si les grains d amidon sont assez gros pour être détectable par le sens du toucher de la langue). Ce que détecte notre langue ce sont toujours de «petites» molécules de sucre. L une d entre elles est le glucose. On peut penser que dans le pois ridé, tous le glucose n est pas utilisé. Il reste du glucose libre. C est ce qui lui donne son goût sucré. Dans un pois lisse, la majorité du glucose est consommé par les réactions biochimiques pour fabriquer l amylopectine et donc le petit pois n est pas sucré mais... farineux. Dans un cytoplasme ont lieu des réactions chimiques particulières Dans les cellules du pois lisse et dans les cellules du pois ridé n ont pas lieu les mêmes réactions biochimiques. Ce qui est hérité ce ne sont pas les caractères «sucré» ET «ridé» mais plutôt LE caractère «savoir faire la synthèse d amylopectine». Les autres caractères sont des conséquences plus ou moins directes des réactions biochimiques qui ont lieu dans les cellules du pois. L information génétique qui est hérité est donc une information qui permet ou non de réaliser une série de réactions biochimiques dans la cellule (synthèse de l amidon). Les réactions qui permettent cette synthèse dans un pois ridé et dans un pois lisse ne sont pas les mêmes. Les réactions biochimiques qui ont lieu dans les cellules sont sous la dépendance de l information génétique. Un fois étudié la structure de l ADN et le codage de l information génétique on peut aller vérifier ce qu implique la conclusion précédente : Si la réaction de synthèse de l amylopectine est sous la dépendance de l information génétique alors les ADN d un pois lisse et ridé ne devraient pas posséder la même séquence. De plus si les différences entre les pois lisses et ridés ne sont dues que à la présence ou non d une réaction biochimique, alors on peut s attendre à ce que les différences entre les séquences soient en faible nombre. Comparaison des séquences d ADN dans ANAGène (ou Génie Gène) Pour les fichiers : Sous Génie gène utiliser les fichiers «seqadn_pois_lisse.txt» et «seqadn_pois_ride.txt». (Menu créer, puis ouvrir les fichiers texte et copier / coller les séquences) Sous anagène ; renommer les fichiers «pois_ride_adn.txt» en «pois_ride.adn» et «pois_lisse_adn.txt» en «pois_ride.adn» puis les utiliser comme tout autre fichier anagène.