CHAPITRE 3 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE

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1 CHAPITRE 3 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Table des matières CHAPITRE 3 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Utilisation de l'énergie lumineuse, photosynthèse et production d'atp La feuille, organe clé de la photosynthèse Le chloroplaste organite clé de la photosynthèse La phase photochimique de la photosynthèse Les rayonnements absorbés par les végétaux chlorophylliens (spectre d'absorption) Pigments, rayonnements et photosynthèse Détermination expérimentale de l'intensité photosynthétique Phase chimique de la photosynthèse la production de matière organique la production de matière organique (modifié de bac juin 2012) Utilisation de l'énergie chimique, oxydation du glucose et production d'atp Fermentation/respiration et croissance cellulaire : réalisation de cultures Cultures en milieu liquide (David) Cultures en milieu solide (élèves) La fermentation, oxydation partielle de l'acide pyruvique La respiration, oxydation totale de l'acide pyruvique en présence de dioxygène: Étude comparée de l'efficacité énergétique de la fermentation et de la respiration Adaptation du métabolisme énergétique au niveau du muscle Mise en évidence du rôle de l'atp...13 CHAPITRE 3 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE Activité Titre Sous-titre Type Centrage 1 Centrage 2 Production 31 Cellule chlorophyllienne et photosynthèse 311 Coupe de feuille structure TP1 observations TP1 avec TP2 possible??? 312 Chloroplaste mouvements TP2 manipulation 3131 Pigments chloro Chromato TP3 manipulation 3132 Pigments chloro Chromato TD Type 2b 3133 Production de O2 TP4 Informatique 3141 Production de MO PDT TP5 observation Chromato??? 3142 Biocarburants TD Type 2b Cellules eucaryotes et fermentation 3211 Levures et énergie malassez TP6 observation 3212 Culture milieu sol TP6 Cellules eucaryotes et respiration 331 Ferm respiration TP7 Informatique 332 Réoxydation NADH2 TD 333 Efficacité énergétique TD Adaptation du métabolisme énergétique au niveau du muscle 341 Fonctt musc Rôle ATP TD Daniel Devallois St Julien en genevois 1 Sur 12

2 3.1 Utilisation de l'énergie lumineuse, photosynthèse et production d'atp La feuille, organe clé de la photosynthèse Le chloroplaste organite clé de la photosynthèse Vous mettrez en évidence les mouvements de cyclose des chloroplastes chez l'élodée et l'influence d'un poison respiratoire sur ces mouvements. Faire vérifier. Proposez une explication à ces mouvements (intérêt pour la plante) par un texte court. L'observation est facilitée dans une zone voisine de la nervure (cellules ayant peu de chloroplastes) éclairées quelques minutes sous le microscope. Daniel Devallois St Julien en genevois 2 Sur 12

3 3.1.3 La phase photochimique de la photosynthèse La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse Les rayonnements absorbés par les végétaux chlorophylliens (spectre d'absorption) Séparez les différents pigments d'une solution de chlorophylle brute puis déterminez le spectre d'absorption de cette solution brute. Dessinez le spectre observé. D'après vos résultats, quelles sont les longueurs d'ondes qui pourraient être efficaces pour la photosynthèse? Afin de déterminer les rayonnements absorbés, il est nécessaire: 1- d'extraire les pigments 2- de déterminer les longueurs d'ondes absorbées par ces pigments 1- L' extraction des pigments: Les pigments concernés étant solubles dans l'alcool, l'extraction se fera dans l'alcool à 90. (voir physique chimie pour autres solvants (eau, lipides...)) épinard ou autre feuilles bien vertes mortier alcool à 90 / autre 10 ml par groupe épinard / autre QSP classe bécher + gaze pipette fine pour dépôt 2- La séparation des pigments, chromatographie: (voir physique chimie pour autres solvants (alcool, mélanges...)) s'agissant de molécules organiques, la séparation se fera dans des solvants organiques. papier à chromatographie solvant (Ether de pétrole/acétone/cyclohexane : 85/10/5% ) /autre QSP classe au fond de la salle éprouvette/chromatographie bouchon et fixation pour le papier nécessaire pour obscurité dans l'éprouvette Remarques: limiter la durée pour ne pas monter trop haut (~30 minutes) faire le dépôt à au moins 2 cm du bord inférieur pour pouvoir faire tremper dans le solvant sans problème réaliser des dépôts aussi petits que possible (sécher au sèche cheveu pour éviter l'étalement) réaliser plusieurs dépôts pour concentrer le pigment (4-5) 3- Détermination des longueurs d'ondes absorbées: L'utilisation d'un spectroscope ou d'un spectrophotomètre permet de déterminer les longueurs d'ondes absorbées. spectroscopes (boites bleues PM) autant que possible Remarque : Pour les nouveaux spectroscopes, diluer beaucoup (transparent à l œil). Daniel Devallois St Julien en genevois 3 Sur 12

4 Pigments, rayonnements et photosynthèse D'après les documents proposés, quels sont les pigments efficaces pour la photosynthèse? Document 1: Pigments foliaires observés par chromatographie Document 2: Spectre d'absorption des pigments foliaires obtenu par spectrophotométrie Le spectre d absorption est obtenu en éclairant les cellules photosynthétique avec un éclairement monochromatique (une seule longueur d'onde). L'absorption est déterminée en mesurant la quantité de rayonnement absorbée. Principe du spectrophotomètre (pour information, pas à commenter) Document 3: Spectre d'action des pigments foliaires Le spectre d'action est obtenu en éclairant les cellules photosynthétique avec un éclairement monochromatique. L'efficacité photosynthétique est déterminée en mesurant soit la quantité de dioxygène produit par unité de temps soit la quantité de dioxyde de carbone absorbée par unité de temps. Daniel Devallois St Julien en genevois 4 Sur 12

5 Présentation du matériel : mise en place des capteurs Détermination expérimentale de l'intensité photosynthétique voir positions ci-dessous ATTENTION : ne pas mettre dans l'eau le capteur lumière (voir nom du capteur sur le capteur) Présentation du logiciel : à l'ouverture du logiciel, clic sur la fenêtre qui s'ouvre au milieu pour accéder au logiciel O2 dissous refuser le paramétrage (déjà fait) CO2 refuser le paramétrage (déjà fait) Observer les fenêtres de gauche / de droite fenêtre de gauche à 2 onglets onglet paramétrage onglet données fenêtre de droite = fenêtre d'affichage des données stockées dans la fenêtre de gauche manipulation des axes possible double clic sur le titre d'un axe pour adapter automatiquement l'échelle aux données clic de part et d'autre de la barre au centre d'un axe pour déplacer le début ou la fin de cet axe Par une mesure du dégagement du dioxygène et/ou de l'absorption du CO 2, mettre en évidence la photosynthèse et l'influence du type de lumière sur la photosynthèse Phase chimique de la photosynthèse la production de matière organique La phase chimique produit du glucose à partir de CO2 en utilisant les produits de la phase photochimique. Mise en évidence de sucre dans la sève. Chromatographie des glucides. Mise en évidence de polymères du sucre (amidon). La pomme de terre accumule des réserves sous forme de grains d'amidon (chaines de glucose) dans les cellules de ses tubercules. Au printemps, ces réserves sont utilisées pour construire un nouveau plant de pomme de terre. La synthèse se fait selon les réactions suivantes : Glucose Clucose1P Amidon On cherche à déterminer la localisation de l'amidon dans une cellule de tubercule de pomme de terre. Présentez vos résultats sous la forme de votre choix puis argumentez l'affirmation suivante: «Les zones non chlorophylliennes d une plante se comportent comme des parties hétérotrophes d un être autotrophe». Pomme de terre 1 par rangée scalpel microscope lames / lamelles 1 par classe eau iodée 1 par rangée autres réserves... Daniel Devallois St Julien en genevois 5 Sur 12

6 la production de matière organique (modifié de bac juin 2012) La diminution des réserves de carburants fossiles rend nécessaire le développement de nouvelles sources d'énergies, notamment, la production de biocarburants. Actuellement ceux-ci peuvent être produits à partir de la culture de certaines espèces (soja, moutarde, palmier à huile, algues vertes unicellulaires). À partir de la mise en relation des données des documents et des connaissances, montrer que certaines molécules organiques produites lors de la photosynthèse peuvent être à l'origine des biocarburants. Donner les arguments qui conduiraient à privilégier l'une des cultures présentées. Document 1 : conditions de cultures d'algues vertes Des algues vertes unicellulaires dotées de chloroplastes sont cultivées dans différents milieux. Le premier jour (J0) et le 7e jour (J7), on mesure à l'aide d'un spectrophotomètre l'absorbance de la lumière des suspensions d'algues. Absorbance A la lumière A l'obscurité ajout de CO2 dans l'eau Sans ajout de CO2 ajout de CO2 dans l'eau sans ajout de CO2 J0 0,05 0,05 0,05 0,05 J7 0,62 0,15 0,05 0,05 L'absorbance est la mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux par la suspension d'algues. Cette valeur est proportionnelle à l'abondance des algues. Document 2 : expérience historique de Calvin ( prix NOBEL en 1961) A l'aide d'un dispositif ingénieux appliqué à des algues vertes unicellulaires (chlorelles) cultivées en conditions optimales pour réaliser la photosynthèse, il est possible de les mettre en contact avec du CO2 marqué au carbone 14 pendant un temps connu (5, 10 et 30 secondes). A l'issue de ce contact, les algues sont fixées instantanément par de l'éthanol bouillant. Les petites molécules organiques sont extraites, séparées sur une chromatographie bidimensionnelle, la révélation par des réactifs appropriés permet de les reconnaître. Le chromatogramme ci-dessous montre les composés radioactifs obtenus, Daniel Devallois St Julien en genevois 6 Sur 12

7 Document 3 : synthèse des lipides dans les cellules chlorophylliennes Dans le chloroplaste éclairé, de petites molécules sont d'abord produites et la synthèse d'acides gras se réalise grâce à des acides gras synthétases (enzymes du chloroplaste). Les acides gras entrent dans la constitution de lipides soit membranaires, soit de réserve. Les algues unicellulaires cultivées dans des milieux appropriés accumulent de grandes quantités de lipides de réserve. Ils sont extraits, puis leur raffinage permet de produire des biocarburants. Document 4 : comparaison de la production de biocarburants de différentes cultures en fonction de la surface cultivée. Types de cultures Biocarburants produits Uha/an Types de surfaces utilisées Soja 446 Surfaces agricoles Moutarde 1300 Surfaces agricoles Palmier à huile 5950 Surfaces agricoles Algues vertes unicellulaires à Surfaces non agricoles Daniel Devallois St Julien en genevois 7 Sur 12

8 3.2 Utilisation de l'énergie chimique, oxydation du glucose et production d'atp Fermentation/respiration et croissance cellulaire : réalisation de cultures Cultures en milieu liquide (David) levures dans des conditions de culture variées : levures dioxygène sucre QSP moins de 10 par zone de comptage à la fin oui non oui oui lames de Malassez microscopes oui non Faire le comptage sur cellule de malassez (lame quadrillée pour permettre un comptage) pour des cultures réalisées dans des conditions variées. La mesure se fait sur un parallélépipède rectangle composé de 20 cubes (4 X 5 voir zone entourée ci contre). Chaque cube a les dimensions suivantes : - largeur 0,2 mm - longueur 0,25 mm - profondeur 0,2 mm La mesure est répétée sur 10 rectangles non contigus. Les conditions de culture, la moyenne des 10 mesures, ainsi que la moyenne pour 1 cm3 sont notées au tableau Cultures en milieu solide (élèves) nécessaire pour cultures de levures en milieu solide dont glucose (balances, glucose, gélose 12 boites de pétri min) salle avec gaz, pipettes. Répartition du travail : préparation des 2 géloses (pesages gélose glucose, mesures volumes d'eau, chauffages) préparation des 2 séries de boites (noter les conditions dessus, coulage de gélose) mise en culture en conditions stériles Culture sur du lait, le yaourt : - un yaourt - bleu de méthylène (colorant) - alcool à 90 - une lame et une lamelle Mise en oeuvre : déposer une petite goutte de yaourt sur la lame étaler la goutte avec la lamelle de manière à obtenir une couche très fine et transparente laisser sécher (en agitant la lame) recouvrir d alcool à 90 et laisser agir environ 2 minutes laisser sécher (en agitant la lame) recouvrir de bleu de méthylène et laisser agir environ 30 secondes rincer délicatement à l eau (attention à ne pas faire partir tout l échantillon) laisser sécher (en agitant la lame) Réaliser le frottis bactérien puis observer au microscope X 600 au moins. Dessiner les bactéries observées. Zone de mesure Daniel Devallois St Julien en genevois 8 Sur 12

9 3.2.2 La fermentation, oxydation partielle de l'acide pyruvique Mise en évidence de la fermentation : En l'absence de dioxygène, certains êtres vivants comme la levure sont capables de récupérer l'énergie nécessaire à leur fonctionnement par une dégradation incomplète de molécules organiques (fermentation). Cette dégradation étant incomplète, elle produit une molécule organique qui doit être éliminée. En fonction du matériel mis à votre disposition, vous proposerez une protocole expérimental permettant de déterminer si les levures respirent ou fermentent dans les conditions de l'expérience. Faire vérifier. Réaliser le protocole validé par l'enseignant. Faire vérifier. Présenter les résultats obtenus sous la forme de votre choix. Réaliser l'analyse des résultats obtenus. sonde à éthanol / éthylomètre OU sonde à CO 2 sonde à dioxygène levures récipients pour fermentation solution de glucose et/ou autres substrats 1 par classe 1 par classe Document 1: évolution d'une culture de levures en présence de glucose. Daniel Devallois St Julien en genevois 9 Sur 12

10 3.2.3 La respiration, oxydation totale de l'acide pyruvique en présence de dioxygène: La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale. La prise de certains antibiotiques (oligomycine) dirigés contre un antigène bactérien peut entraîner une fatigue générale du patient. Cet effet secondaire est en partie lié à l'action des antibiotiques sur les mitochondries des cellules du patient. A partir de l'exploitation des documents 1 à 3 et en utilisant vos connaissances, expliquez le rôle des sphères pédonculées mitochondriales et proposez une hypothèse sur l'origine de la fatigue liée à la prise d'antibiotiques. Document 1 : Expériences sur les vésicules mitochondriales La fragmentation des mitochondries. par les ultrasons (1), conduit à la formation spontanée de vésicules à partir de fragments retournés de membranes internes (2). Ces vésicules présentent à leur surface des sphères pédonculées (3). Les sphères pédonculées ne sont plus en contact avec la matrice mais avec un milieu expérimental (4). Ce milieu expérimental contient de l'o2. des composés réduits RH2. de l'adp et du P (phosphate inorganique). Conditions vésicules Observations Synthèse d'atp et réoxydation des RH2 en R vésicules dépourvues de sphères pédonculées Pas de synthèse d'atp mais réoxydation des RH2 en R. Document 2 : Variations de la composition d'un muscle frais d'amphibien, avant et après l'effort. Conditions témoins Après injection d'une forte dose d'oligomycine Avant la contraction (mg.g-1 de muscle frais) Après la contraction (mg.g-1 de muscle frais) Glycogène 1,08 0,8 ATP 1,35 1,35 Le muscle est resté contracté pendant toute la durée de la stimulation Glycogène 1,08 1,08 ATP 1,35 0 Arrêt presque immédiat de la contraction du muscle, malgré le maintien de la stimulation Document 3: Electronographie d'un muscle cardiaque (X ) Myofibrilles = fibres musculaires Daniel Devallois St Julien en genevois 10 Sur 12

11 3.2.4 Étude comparée de l'efficacité énergétique de la fermentation et de la respiration Comment peut on expliquer la différence de croissance entre les levures placées en aérobiose (présence de dioxygène) et celles placées en anaérobiose (absence de dioxygène)? Document 1: croissance des levures en aérobiose / anaérobiose Conditions Milieu aérobie Milieu largement anaérobie Milieu totalement anaérobie Durée en jours Concentration en sucre (%) Volume de la solution (ml) Sucre consommé (sur 150g) Masse de levures formées (g) 1,97 1,37 0,25 Document 2: comparaison de la structure des levures en aérobiose/anaérobiose Document 3: Consommation de dioxygène de mitochondries isolées Des mitochondries isolées de cellules de rat sont placées dans un bioréacteur au temps t1 au temps t2 est ajoutée une petite quantité de glucose (6C) au temps t3 est ajoutée une petite quantité de pyruvate (3C) la concentration de dioxygène est suivie au cours du temps Daniel Devallois St Julien en genevois 11 Sur 12

12 3.3 Adaptation du métabolisme énergétique au niveau du muscle La fibre musculaire utilise l'atp fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration. L'hydrolyse de l'atp fournit l'énergie nécessaire aux glissements de protéines les unes sur les autres qui constituent le mécanisme moléculaire à la base de la contraction musculaire Mise en évidence du rôle de l'atp D'après les documents proposés expliquez l'influence de l'atp sur la contraction musculaire? Document 1: Effet du salyrgan ( poison bloquant Document 3: l'hydrolyse de l'atp). Document 2: changements de conformation des protéines musculaires Daniel Devallois St Julien en genevois 12 Sur 12