ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE

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1 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE L adaptation à l aridité des plantes à métabolisme CAM (Métabolisme Acide Crassuléen) Dans les déserts chauds, la sécheresse du sol et de l air en pleine journée est extrêmement élevée de sorte que peu de plantes peuvent y survivre. Il existe cependant une catégorie de plantes adaptées à ces milieux particuliers : les plantes grasses qui on t développé un métabolisme qualifié de CAM (Crassulacean Acid Metabolism) qui diffère quelque peu du métabolisme qualifié de C3 des autres plantes chlorophylliennes. Ce métabolisme leur permet de limiter leur dessèchement face aux contraintes journalières extrêmes. À partir de l exploitation des documents mise en relation avec les connaissances, expliquer comment les particularités du métabolisme des plantes CAM leur permettent de résister à l'aridité de leur milieu de vie. Document 1 : taux d'absorption nette de dioxyde de carbone (CO2) mesuré sur des feuilles de deux espèces Pour chaque espèce, une feuille est placée pendant 36h dans une enceinte de façon à pouvoir mesurer en continu le taux d absorption du CO2. Deux espèces sont utilisées : - une espèce CAM : Kalanchoe daigremontiana - une espèce C3 : Peperomia obtusifolia D'après Maxwell et al., 1999,Plant Physiology, Vol. 121 Document 2 : degré d ouverture des stomates selon l heure de la journée Un stomate est une structure présente dans l'épiderme des organes aériens des végétaux constituée de deux cellules stomatiques entourant un orifice appelé ostiole. Il permet grâce à l ouverture /fermeture de son ostiole les échanges gazeux entre la plante et l'air ambiant : - vapeur d'eau (H 2O), - dioxyde de carbone (CO2), - dioxygène (O2).

2 D après le site Document 3 : dégagement de dioxygène chez une plante CAM en fonction de la luminosité On mesure les variations du taux de dioxygène dans une enceinte dans laquelle sont placées des fragments de cactus (plante CAM). D'après le site Document 4 : évolution de la teneur en malate et en amidon dans des feuilles de plante à métabolisme CAM Le malate est une molécule qui intervient dans le métabolisme des plantes CAM. Les taux de malate et d amidon sont évalués à partir de feuilles de Mesembryanthemum crystallinum ayant un métabolisme CAM.

3 Document 5 : réactions métaboliques simplifiées spécifiques des plantes CAM D'après Botanique, Traité fondamental, U. Lüttge

4 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Un herbicide : la tentoxine Comme tout organisme, une plante chlorophyllienne subit des agressions extérieures au cours de sa vie, par exemple par des champignons. Certains d entre eux produisent une molécule appelée tentoxine qui induit une chlorose : les feuilles deviennent ainsi oranges puis jaunes. On constate aussi la mort assez rapide de la plante. La tentoxine est d ailleurs utilisée comme herbicide pour l élimination des plantes adventices communément appelées «mauvaises herbes». Expliquer la nouvelle couleur des feuilles des plantes traitées avec la tentoxine et justifier l utilisation de la tentoxine en tant qu herbicide. La réponse s appuiera sur l exploitation du dossier documentaire et sur l utilisation des connaissances. Document 1 : Actions de la tentoxine 1-La tentoxine empêche la synthèse d ATP au niveau des chloroplastes. 2-Elle est responsable d une disparition progressive de la chlorophylle à l origine d une chlorose. D après

5 Document 2 : Quelques notions de physique : la couleur des objets La couleur d un objet dépend de la lumière qui l éclaire et de la nature chimique de sa surface qui détermine les radiations lumineuses qu il absorbe et celles qu il diffuse. La couleur perçue par l observateur de cet objet est la couleur des radiations q u il diffuse. C est la couleur complémentaire des radiations qu il absorbe. Tableau indiquant la couleur des objets en fonction des radiations absorbées Radiations Bleuververorangé cyan Jaune- Jaune- Orangé Rouge Violet Bleu Bleu absorbées Couleur de l'objet Rouge Violet Bleu violet Bleu Bleuververt Jaune- Jauneorangé Orange Cyan Ainsi, un coquelicot est rouge parce que, lorsqu il est éclairé en lumière blanche, il absorbe le bleu et le vert et diffuse le reste donc le rouge. Document 3 : Spectre d absorption des pigments chlorophylliens et activité photosynthétique. D'après le Monde.fr

6 Document 4 : l expérience d Arnon et une expérience complémentaire Lors de la phase chimique de la photosynthèse, le cycle établi par Calvin correspond à une réduction du CO2. Les réactions qui le constituent nécessitent de l énergie chimique. Pour déterminer la nature de cette énergie chimique et l origine de celle -ci, Arnon (1958) réalise les expériences ci-dessous. Il prépare, à partir de chloroplastes, des milieux contenant uniquement du stroma. Il place ces milieux dans différentes conditions puis introduit des molécules de CO2 radioactives 14 CO2. Il mesure alors la quantité de 14 CO2 fixé. Expérience d Arnon Contenu du milieu Quantité de CO2 fixé dans le stroma mesurée en coups par minute Stroma à l obscurité 4000 Stroma à l obscurité mis en présence de thylakoïdes ayant séjourné précédemment à la lumière Stroma à l obscurité mis en présence d ATP et de transporteurs d hydrogène réduits (RH2) Expérience complémentaire : Contenu du milieu Stroma à l obscurité mis en présence de thylakoïdes ayant séjourné précédemment à la lumière et avec de la tentoxine Quantité de CO2 fixé dans le stroma mesurée en coups par minute ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE L'algue et la salamandre La salamandre Ambystoma maculatum présente une particularité : ses œufs sont de couleur verte. Les chercheurs ont établi que cette couleur des œufs résulte d'une association entre l'embryon de salamandre et une algue Oophila ambystomatis. À partir de l'ensemble documentaire et de l'utilisation des connaissances, décrire les deux réactions métaboliques mises en œuvre lors de cette association et montrer leur complémentarité. Document 1 : association entre l'algue et la salamandre Document 1a : salamandre adulte et œuf de salamandre Ambystoma maculatum est un vertébré amphibien qui, au printemps, pond ses œufs dans une mare ou sur les bords d'un lac. Oophila ambystomatis est une algue verte chlorophyllienne unicellulaire d'eau douce, qui peut pénétrer et se développer dans les œufs de salamandres.

7 Document 1b : cellules d'embryon de salamandre observées au microscope électronique à des grossissements d'ordre croissant et schémas d'observation correspondant

8 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points.

9 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE La limace «solaire» Elysia chlorotica est un mollusque vivant le long de la côte atlantique nord-américaine. Dénué de coquille, son corps arbore une couleur verte identique à celle des algues parmi lesquelles il se camoufle. À partir de l exploitation des documents et de la mise en relation avec les connaissances, expliquer le fait que cet animal ne prenne qu un seul repas en quelques mois. Document 1 : électronographie d'une portion de cellule intestinale d Elysia chlorotica D après mollusk/algal symbiosis: Zoology 2001 Document 2 : échanges de dioxygène d'elysia adulte en fonction de l intensité lumineuse Les chercheurs ont quantifié les échanges de dioxygène des individus adultes (âge : 6 à 7 mois) avec leur environnement, en fonction de l intensité lumineuse à laquelle ont été soumis les animaux. Le tableau indique les résultats obtenus : «+» = dégagement de dioxygène «-» = absorption de dioxygène Intensité des échanges d O 2 microlitres d O2 par mg de chlorophylle et par heure Intensité lumineuse (en % de l intensité maximale) 100% 50% 25% 10% 0% ,5-7 D après Acces.ens-lyon.fr/evolution Document 3 : le cycle de vie d Elysia A leur naissance, les jeunes limaces sont brunes. Puis elles consomment l'algue Vaucheria litorea, et leur corps change de couleur, virant progressivement au vert, couleur qu'elles garderont toute leur vie. Parallèlement, un phénomène accompagne cette transformation : une fois ce repas terminé, elles peuvent rester plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans manger de nouveau.

10 Document 4 : les échanges de dioxygène d Elysia au cours de leur vie D'après Rumpho M E et al. J Exp Biol 2011;214: Les chercheurs ont étudié les échanges d O 2 des mollusques durant leur vie. Il s agit d animaux élevés dans une eau de mer artificielle et soumis à un jeûne (pas d apport de filaments d algues) à partir d une quinzaine de jours après leur premier r epas. Ces échanges ont été mesurés en plein éclairement d une part (bilan photosynthèse/respiration) et à l obscurité d autre part (respiration seule). Le document présente les résultats obtenus. D après Acces.ens-lyon.fr/evolution 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points.

11 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Les nouvelles technologies telles que la vidéo microscopie permettent de visualiser l'activité à l'intérieur d'une cellule À partir de l'exploitation des documents mis en relation avec vos connaissances, proposer un mécanisme expliquant le phénomène mis en évidence par le document 1. Document 1 : Quelques images faites en microscopie de cellules chlorophylliennes de la feuille d'elodée. Les trois images proposées sont extraites d'une vidéo qui dure 5 secondes. Elles permettent de suivre le déplacement du chloroplaste repéré par une flèche : D'après Document 2 : Variation de la vitesse de cyclose des chloroplastes en fonction des conditions énergétiques de la cellule. La cyclose est le mouvement des organites dans le cytoplasme. La vitesse de la cyclose des chloroplastes de l'elodée a été mesurée en plaçant u n fragment de feuille successivement dans trois solutions : - une solution témoin puis, - une solution composée de la solution témoin additionnée d'atp (10-5 mol.l -1 ) puis, - une solution composée de la solution témoin additionnée d'atp (10-5 mol.l -1 ) et de pc1ba, un antagoniste de la synthèse d'énergie dans la cellule (10-5 mol.l -1 ). Cette expérience a été répétée pour plusieurs concentrations d'atp et de pc1ba et des résultats comparables sont obtenus à chaque fois. D'après Brueske et Applegate, The roles of adenosine triphosphate and glutathione in the inhibition of cyclosis by p - chlorobenzoic acid in Elodea densa Document 3 : Disposition des chloroplastes dans une cellule chlorophyllienne de Nitella flexilis observée en microscopie électronique

12 D'après Kersey et Wessells, Journal of Cell Biology, 1976, 68: Document 4 : Schéma d'interprétation des interactions entre les chloroplastes et les filaments d'actine à l'origine du déplacement des chloroplastes. La myosine est une protéine capable de se déformer en utilisant de l'atp D'après Shimmen et Yokota, Current Opinion in cell Biology, 2004, 16: ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de Spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Métabolisme musculaire et entrainement des sportifs Un entrainement de longue durée (course pendant 21 semaines à raison de 5 séances par semaine) peut être à l'origine, chez les sportifs, d'une modification du métabolisme des cellules musculaires. À partir de l'exploitation des documents et de l'utilisation des connaissances, montrer que le métabolisme musculaire est modifié par l'entrainement puis, expliquer en quoi ces modifications permettent des contractions musculaires plus intenses et de plus longue durée. Document 1 : quantité de mitochondries dans les cellules musculaires Les mitochondries sont des organites présents dans les cellules musculaires. Elles permettent la synthèse d'atp par oxydation des métabolites. Un entraînement de 21 semaines à raison de 5 séances par semaine permet d'observer dans les cellules musculaires : - une augmentation du nombre de mitochondries de 120% ; - une augmentation de 14 à 40% de la taille des mitochondries. D'après

13 Document 2 : entrainement et activité enzymatique Des mesures de l'activité des enzymes du cycle de Krebs sont réalisées à partir d'extraits de muscles prélevés chez différents sportifs avant et après entrainement. Document 3 : entrainement et réserves de métabolites D'après physiperf.fr Le glycogène est une forme de stockage du glucose. Le tableau ci-dessous présente les réserves en glycogène musculaire chez une personne non entrainée et chez une personne entrainée. Réserves en glycogène musculaire Personne non entrainée 13 à 15 g/kg de muscle Personne entrainée 15.5 à 17,5 g/kg de muscle Document 4 : entrainement et conditions de production d'acide lactique D'après D'autres processus permettent la synthèse d'atp dans les fibres musculaires comme par exemple la fermentation lactique. Cette fermentation génère la synthèse de lactates qui s'accumulent dans les fibres musculaires et le sang. Ces lactates pourraient être à l'origine d'une fatigue musculaire. Variation de la quantité de lactate en fonction de la vitesse de course chez un individu entrainé et chez un individu non entrainé

14 D'après 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE On s'intéresse aux différences physiologiques des fibres musculaires des sprinters et des coureurs de fond. Le sprint est caractérisé par un effort bref (quelques secondes) et intense, la course de fond demande un effort plutôt long et modéré. En utilisant les informations fournies par les documents et vos connaissances définir les voies métaboliques impliquées dans chaque type d'effort. Document 1 : Voies de production d ATP dans une cellule musculaire

15 D'après Science de la vie et de la Terre, O. Guillermou, collection Ellipse Document 2 : Coupe transversale de cellules musculaires issue d'une biopsie d'un quadriceps chez deux athlètes après utilisation d'une technique faisant apparaître en noir une forte teneur en enzyme F

16 D après K.N Frayn, Metabolic regulation a human perpective, 2 éd Document 3 : Caractéristiques fonctionnelles des fibres musculaires Fibres de type I. Fibres de type Il. Vitesse de contraction Puissance de contraction Document 4 : Caractéristiques structurales des fibres musculaires Fibres de type I. Fibres de type Il. Richesse en capillaires sanguins Myoglobine* Teneur en glycogène Richesse en mitochondries Myoglobine*: La myoglobine est une protéine fixatrice d'o2, réservoir temporaire de dioxygène 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE L inflorescence d arum présente une particularité remarquable. Lorsque les fleurs mâles produisent du pollen, une brutale élévation de température se produit dans l inflorescence provoquant l émission de substances volatiles qui attirent les insec tes pollinisateurs. À partir des informations extraites des documents et de vos connaissances, identifier et décrire le mécanisme expliquant la brutale production de chaleur chez l arum.

17 Document 1 : Température mesurée au niveau de l inflorescence d arum lors du brutal épisode de production de chaleur. *Le spadice correspond à l inflorescence. D'après Seymour et Ito, 2010 Document 2 : Mesure de la température et de la production de CO2 dans l inflorescence au cours de la journée D'après Lance, Signol et Chauveau, 1976 Document 3 : Mesures de la quantité de dioxygène consommé et de la quantité de réserves d amidon dans l inflorescence à différents stades

18 Stades de l inflorescence 1 : plusieurs jours avant la production de chaleur 2 : juste avant la production de chaleur 3 : au moment de la production de chaleur 4 : après la production de chaleur D après Lance, Signol et Chauveau, 1976, modifié Document 4 : Mesure de la quantité de l organite photographié ci-dessous dans le spadice. D après Banque d image SVT Dijon Abondance relative de l organite photographié ci-dessus Plusieurs jours avant la production de chaleur Juste avant la production de chaleur Au moment de la production de chaleur Après la production de chaleur ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Acidose lactique et traitement anti-vih

19 Les inhibiteurs de la transcriptase inverse (INTI) sont utilisés pour réduire la reproduction du virus de l'immunodéficience humaine (VIH). L'usage de ces anti-rétroviraux s'est révélé toxique à forte dose suite à une modification du ph sanguin. Expliquer à l'aide des documents et de vos connaissances pourquoi l'utilisation de ces anti-rétroviraux peut conduire à une anomalie du ph sanguin. Document 1 : Le métabolisme du pyruvate Document 1a : Évolution de la concentration de dioxygène dans une suspension de mitochondries en fonction du substrat On mesure grâce à une chaîne EXAO comportant une sonde oxymétrique la concentration en dioxygène dans une suspension de mitochondries normales. D'après Hardy J. Document 1b : Conséquences du traitement avec INTI sur le métabolisme du pyruvate Au sein des mitochondries, le cycle de Krebs utilise le pyruvate et aboutit à la formation de composés réduits R'H2. Dans le cadre d'un traitement avec INTI, des examens biochimiques mettent en évidence l'impossibilité d'utilisation du pyruva te par le cycle de Krebs. D'après Médecine thérapeutique, Volume 8, 59-63, numéro spécial, Janvier 2002, Sida 2001 Document 2 : Quelques réactions du métabolisme Document 2a : La glycolyse Il s'agit d'une réaction de dégradation du glucose dans le hyaloplasme. Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 R' 2 Acide pyruvique + 2 ATP + 2 R'H2 R' : accepteur d'électrons On considèrera ici que l'acide pyruvique et le pyruvate sont équivalents. Document 2b : La fermentation lactique Au sein du hyaloplasme, certaines cellules peuvent, dans certaines conditions, régénérer les transporteurs R' grâce à la réaction suivante : Acide pyruvique + R'H2 Acide lactique + R' Document 3 : Effet du traitement sur les mitochondries

20 Les mitochondries possèdent de l'adn (ADNmt). Celui-ci gouverne la synthèse de plusieurs protéines mitochondriales. Les INTI peuvent à forte dose, diminuer l'expression de l'adnmt. Les schémas suivants représentent les mitochondries chez un individu non traité et chez un individu tracté avec un inhibiteur de transcriptase inverse. Sans traitement par les INTI Avec traitement par les INTI à forte dose Protéines de la chaîne respiratoire synthétisées grâce à l'adnmt (Les protéines de la chaîne respiratoire sont en réalité intégrées dans la membrane interne de la mitochondrie) D'après Document 4 : Comparaison de caractéristiques biologiques d'un sujet non traité et d'un sujet traité aux INTI On mesure chez ces sujets au repos le taux sanguin d'acide lactique. Produit par les cellules, cet acide passe librement dans le sang. Sujet Taux sanguin d'acide lactique au repos ph du sang Non traité avec INTI 1 mmole par litre ph = 7,41 (normal) Traité avec INTI > 5 mmoles par litre ph < 7,38 (acidose) 2ème PARTIE - Exercice 2 - Pratique d'une démarche scientifique ancrée dans des connaissances (Enseignement de spécialité). 5 points. ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE L entraîneur d une équipe de natation souhaite comprendre d où vient l énergie utilisée par les muscles lors des courses de 100 mètres et de 1500 mètres, afin d adapter ses séances d entraînement. Vous êtes chargé d expliquer à l entraîneur d où provient l énergie utilisée par les cellules musculaires dans ces deux types de course. Vous devez lui rédiger un document explicatif, en utilisant les données des documents et vos connaissances. Situez les voies métaboliques 2 et 3 du document 1 sur le schéma de la feuille annexe à rendre avec la copie. Document 1 : les différentes voies métaboliques de régénération de l ATP dans les cellules musculaires Lors d un effort, une cellule musculaire consomme de très nombreuses molécules d ATP. Elle régénère ces molécules grâce à trois voies métaboliques décrites ci-dessous : Substrats utilisés Produits formés Voie 1 : anaérobie alactique Voie 2 : anaérobie lactique Voie 3 : aérobie Créatine-Phosphate + Glucose ou autres substrats Glucose ou autres substrats + ADP + ADP O2 + ADP Créatine + ATP Acide lactique + ATP H2O + CO2 + ATP D après «l exercice musculaire» C. Lacoste et D. Richard NATHAN UNIVERSITE collection 128 Document 2 : performances et données métaboliques chez des nageurs professionnels Aux derniers jeux olympiques d été, le médaillé d or du 1500 m nage libre homme a mis 14 minutes 31 secondes pour parcourir la distance. Sa vitesse moyenne était donc de 103 m/min. Le médaillé d or du 100 m nage libre a mis 47 secondes et 52 centièmes. Sa vitesse moyenne était donc de 125 m/min.

21 Contributions relatives de la voie aérobie et des voies anaérobies selon les types de course et selon les vitesses atteintes par des nageurs de niveau olympique Distance de la course (en mètres) Contribution relative en % Voies anaérobies Voie aérobie D après «l exercice musculaire» C. Lacoste et D. Richard NATHAN UNIVERSITE collection 128 Document 3 : mise en jeu des trois voies métaboliques en fonction de la durée d un exercice musculaire On considère que l effort maximal fourni lors d un 100 m correspond à une dépense énergétique de 100%. Feuille annexe à compléter et à rendre avec la copie - D après Cometti et al Schéma des voies métaboliques énergétiques dans une portion de cellule musculaire

22 D après