Les orientations bibliographiques : - LAVAL-MARTIN D. et MAZLIAK P., Physiologie végétale I : Nutrition et métabolisme, Hermann,

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1 Préparation à l Agrégation Interne Séances des samedi 25 septembre et mercredi 29 septembre 2010 LE METABOLISME ENERGETIQUE CELLULAIRE Les mots clés : Autotrophie, hétérotrophie, mitochondrie, chloroplaste, respiration, fermentation, photosynthèse, glycolyse, oxydoréductions, potentiel redox, décarboxylation oxydative, pyruvate, cycle de Krebs, chaîne respiratoire, cytochromes, oxygène, gradient de protons, sphère pédonculée, ATP synthase, oxydation phosphorylante, coenzyme d oxydoréduction, ATP, pigments photorécepteurs, stroma, thylakoïde, phase photochimique, phase non photochimique, photophosphorylation, Rubisco, cycle de Calvin, relations trophiques, producteurs primaires Dans les programmes : 6 ème : Origine de la matière des êtres vivants. Végétaux et animaux prélèvent des matières différentes dans le milieu. «Les végétaux chlorophylliens n ont besoin pour se nourrir que de matière minérale, à condition de recevoir de la lumière». «Tous les autres organismes vivants se nourrissent toujours de matière minérale et de matière provenant d autres organismes vivants». «La matière des organismes vivants se transforme en matière minérale». 5 ème : Fonctionnement de l organisme et besoin en énergie «Nutriments et dioxygène libèrent de l énergie utilisable, entre autres, pour le fonctionnement des organes». «L énergie libérée au cours de la réaction chimique entre les nutriments et du dioxygène, est utilisée pour le fonctionnement des organes et transférée en partie sous forme de chaleur». 2 nde : Cellule, ADN et unité du vivant. L hétérotrophie et l autotrophie sont deux grands types de métabolisme. T S : Enseignement de spécialité. Thème 3 Diversité et complémentarité des métabolismes Du carbone minéral aux composants du vivant : la photo autotrophie pour le carbone. L ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire. Bilan structural et fonctionnel d une cellule vivante. Les orientations bibliographiques : - LAVAL-MARTIN D. et MAZLIAK P., Physiologie végétale I : Nutrition et métabolisme, Hermann,

2 - MAZLIAK P., Physiologie végétale II : Croissance et développement, Hermann, HOPKINS W., Physiologie végétale, de Boeck, ALBERTS et al., Biologie moléculaire de la cellule, Flammarion, DARNELL J. et al., Biologie moléculaire de la cellule, - STRYER H., Biochimie, Flammarion Travaux pratiques (Physiologie végétale) - PRAT R., Expérimentation en physiologie végétale - POL D., Biologie des levures (travaux pratiques), Ellipses, 1996 Des pistes de révision : - Les différentes voies de production d ATP. - Les caractères des réactions d oxydoréduction. - Les relations fonctions structures au niveau des organites. - Les différents types trophiques. Des supports à maîtriser : - Observations cellulaires ; coupe de feuille ; observation de cellules chlorophylliennes - Électronographies : mitochondries / chloroplastes / cellules de levures / cellules musculaires (contraction). - Utilisation EXAO : fermentation / respiration / photosynthèse. - Chromatographies - Manipulations : extraction et chromatographie des pigments photorécepteurs, réaction de Hill, manipulations EXAO mettant en évidence les facteurs de la photosynthèse (éclairement, longueurs d ondes incidentes, taux de CO 2 etc.), mise en évidence de l amidon à l échelle de la feuille ou du chloroplaste, montage expérimental de la fermentation alccolique - Résultats expérimentaux "classiques" : comparaison du spectre d action de la photosynthèse et du spectre d absorption de la chlorophylle brute, expérience de Hill, expérience de Ruben et Kamen, expériences de Calvin, potentiels redox des différents transporteurs d électrons de la chaîne photosynthétique, de la chaîne respiratoire. Exemples d'épreuves orales portant sur ce thème : Leçons : - Respiration, fermentation et production d ATP - La place des végétaux dans les réseaux trophiques (6 ème ). - Production de matière chez les végétaux (6 ème ). 2

3 - Chloroplaste et mitochondrie (TS spécialité). - Compartimentation cellulaire et métabolisme chez les végétaux (TS spécialité). - Comparaison des besoins nutritifs des animaux et des végétaux chlorophylliens (6 ème ). - Rôle des végétaux dans les cycles de l oxygène et du carbone (2 nde ). - Autotrophie et hétérotrophie à l échelle de la cellule (2 nde ). - Unité et diversité des cellules eucaryotes (2 nde ). - Les végétaux et le dioxygène (Lycée). - Devenir des produits de la photosynthèse (TS spécialité). TP : - Autotrophie et hétérotrophie (2 nde ). - Métabolisme des cellules hétérotrophes (TS spécialité). - Caractéristiques structurales et fonctionnelles de la cellule végétale (2 nde 1 ère S). - Cellules animales et cellules végétales (2 nde 1 ère S). - Unité et diversité des cellules végétales (2 nde ). - La lumière et les végétaux (TS spécialité). - Respiration et fermentation à l échelle de la cellule (TS spécialité). - Diversité et complémentarité des cellules dans un végétal chlorophyllien (TS spécialité). - Le chloroplaste (TS spécialité). - La photo-autotrophie pour le carbone (TS spécialité). - La photosynthèse (TS spécialité). - La feuille, organe photosynthétique (TS spécialité). - Utilisation des levures en classe (Lycée). - Étude structurale et fonctionnelle d une cellule végétale chlorophyllienne (TS spécialité). - Les végétaux et le dioxyde de carbone (Lycée). - Les végétaux et le cycle du carbone (2 nde ). Organisation des séances : - Activité 1 : Les phénomènes métaboliques de respiration et de fermentation font l objet de mentions dans les programmes à différents niveaux du collège et du lycée. Présentez les principales connaissances acquises aux différents niveaux en indiquant les objectifs poursuivis et en faisant apparaître la construction progressive du savoir. - Activité 2 : Élaboration d un second exercice de la partie 2 d un sujet écrit du baccalauréat, série S. On rappellera les objectifs et le barème de cette question. On se fondera sur les 3 documents ci-dessous. Proposez un corrigé détaillé de cette question en indiquant les réponses attendues. - Rappels scientifiques sur les principaux aspects du métabolisme énergétique. 3

4 Document 1 Des chlorelles sont cultivées dans un milieu nutritif constitué d eau H 2 16 O et de substances minérales. Dans ce milieu, barbote un mélange gazeux contenant en proportions égales du dioxygène ordinaire 16 O 2 et du dioxygène lourd 18 O 2. L arrivée de ce mélange gazeux est stoppée au temps zéro, moment où débutent les mesures expérimentales. La culture est alors alternativement placée à l obscurité ou éclairée. Document 2 Expérience d Engelmann (1880) Une algue filamenteuse (spirogyre) est placée dans une goutte d eau contenant des bactéries aérobies. La préparation est éclairée en lumière blanche, séparée en radiations de différentes longueurs par un prisme. L observation réalisée par Engelmann est représentée dans le schéma ci-dessous. Document 3 Des feuilles d épinard sont broyées pendant deux minutes dans un mortier réfrigéré à 4 C (ce qui évite les actions enzymatiques), en présence de solutions tampons (qui neutralisent en particulier les acides organiques, susceptibles d altérer les enzymes). 4

5 Le broyat est ensuite filtré sur du coton hydrophile maintenu par une gaze : le filtrat renferme, outre des chloroplastes, différents autres organites dont des mitochondries. On place 5 ml du filtrat dans l enceinte de mesure. Le filtrat est placé alternativement à l obscurité puis à la lumière (l intensité lumineuse est indiquée par la partie inférieure du graphique, les périodes lumineuses étant représentées par une bande noire, comme entre t1 et t3 par exemple). À t2, est injecté dans l enceinte du fer ferrique (Fe 3+ ) sous forme de ferricyanure de potassium. On mesure, grâce à une sonde à dioxygène, l évolution de la concentration de ce gaz dans le milieu. 5