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LECONS D’ORAL

EXPOSE DE LEÇON : LES ENZYMES, DES BIOCATALYSEURS Dans les programmes Les différents niveaux d’organisation une fois établis, le rôle fondamental des protéines dans la réalisation du phénotype est approfondie à travers l’exemple des protéines enzymatiques. THÈME GÉNÉRAL : DES PHÉNOTYPES À DIFFÉRENTS NIVEAUX D’ORGANISATION DU VIVANT Horaire : 20 semaines à raison de 2 heures de cours par semaine et 2 heures de travaux pratiques.

Activités envisageables Notions et contenus Étude expérimentale de la catalyse enzymatique et de la double spécificité. ExAO : mesure de la vitesse initiale en fonction de la concentration du substrat d'une réaction enzymatique. Exploitation de logiciels sur les modèles moléculaires et structures spatiales de protéines enzymatiques et du complexe enzyme-substrat. Simulation de l'action catalytique d'une enzyme.

Des protéines actives dans la catalyse : les enzymes Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs biologiques. Elles présentent une double spécificité : spécificité d'action et de substrat. Les modalités de leur action reposent sur la formation du complexe enzyme-substrat. Les propriétés des enzymes dépendent de leur structure spatiale. Des modifications de structure spatiale, déterminées soit par des changements de la séquence des acides aminés, soit par des conditions du milieu (pH, température, ions...), modifient leur activité. L'activité des enzymes contribue à la réalisation du phénotype. Limites : l'étude des coenzymes, l'étude de l'allostérie, les lois de la cinétique enzymatique, ne sont pas au programme.

Autres leçons proches :

- L’activité enzymatique ; En TP :

- L’activité enzymatique et ses variations ; - Les enzymes, des catalyseurs biologiques ;

Les ouvrages utilisables :

- Alberts B. & coll. (2004). - Biologie moléculaire de la cellule. Flammarion Médecine-Sciences éd.

- Buchanan B. B., Gruissem W. & Jones R. L. (2001). - Biochemistry and molecular biology of plants. American Society of Plants Physiologists.

- Darnell J., Lodish H. & Baltimore D. (1995). - Biologie moléculaire de la cellule. De Boeck Université éd.

- Granner D.K. & Murray R. K. (2003). - Biochimie de Harper. De Boeck éd / Les presses Universitaires de Laval. Hennen G. (1996). - Biochimie humaine. De Boeck Université éd.

- Karp G. (2004). - Biologie cellulaire et moléculaire. De Boeck éd - Lehninger A. L. & coll. (1994). - Principes de Biochimie. Flammarion Médecine-Science éd. - Lodish F. & coll. (2005). - Biologie moléculaire de la cellule. De Boeck Université éd. - Pelmont J. (1995). - Enzymes : Catalyseurs du monde vivant. Presses Universitaires de

Grenoble

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- Stryer L., Berg J. M. & Tymoczko J. L. (2003). - Biochimie. Flammarion Médecine-Sciences éd.

- Voet D & Voet J. G. (1998). - Biochimie. De Boeck Université éd. - Weil J. H. & coll. (2001). - Biochimie générale. Dunod éd. - Weinman S. & Méhul P. (2000). - Biochimie : structure et fonctions des protéines. Dunod éd.

Logiciels pédagogiques

- Anagène (CNDP) (étude et comparaison de séquences d'ADN ou de protéines). Présentation. - Molusc (Paul Pillot). (Affichage de molécules pdb en 3d. Simple à utiliser.) - Rastop (Philippe Valadon - INRP) (Affichage et travail sur des molécules (format pdb...) en 3d).

Une série de molécules au format .pdb est disponible. (Rasmol sera fourni pour ceux qui en ont l'habitude).

- Protéine Explorer. (traduit par Hervé Furstoss) (Affichage et travail sur des molécules (format pdb...) en 3d).

Replacer la séquence dans la progression annuelle Les acquis

o En cinquième

o La notion de catalyseur est abordée plus tard en physique chimie Définitions des mots clés du sujet

- Enzyme : Molécule biologique pouvant accélérer la vitesse d’une réaction biochimique thermodynamiquement possible. Les enzymes sont des protéines.

- Catalyseur : substance qui accélère des réactions chimiques mais n’est pas transformée après la

réaction.. Il existe des catalyseurs métalliques.. et des biocatalyseurs, comme les enzymes, qui sont des macromolécules fabriquées par les êtres vivants. Ces derniers abaissent l’énergie d’activation de la réaction.

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Plan proposé I/ Les enzymes, des protéines à activité catalytique

A. Les enzymes, des catalyseurs efficaces TP n°1 : Comparaison de l’hydrolyse de l’amidon par deux catalyseurs Objectif : Définir l’enzyme comme un catalyseur et comparer son efficacité à celle d’un catalyseur chimique L’hydrolyse de l’amidon par HCl ou hydrolyse acide de l’amidon (Réalisation au bureau)

HYDROLYSE ACIDE DE L’AMIDON

Ballon 1 : 125mL empois d’amidon (0,2%) + 5 ml d’eau Ballon 2 : 125mL empois d’amidon (0,2%) + 5 mL HCl (N/2) Température : Les contenus des deux ballons sont portés à ébullition Ballon 3 : 125mL empois d’amidon (0,2%) + HCl à température ambiante

test à l’eau iodée (dans plaque de titration ou dans des tubes à essai) toutes les 10 minutes pendant 1 heure

(glucotest)

Négatif de 0 à 180 min puis traces de glucose à partir de 210 min On peut ajouter les tests à la liqueur de fehling a effectuer en parallèle avec les tests à l’eau iodée. Que peut-on déduire de la comparaison des résultats des ballons 1 et 2 et des résultats des ballons 2 et 3 ? L’hydrolyse de l’amidon en présence d’une enzyme (activité élève)

HYDROLYSE ENZYMATIQUE DE L’AMIDON Deux tubes à essai sont placés dans un bain marie à 37 °C comme le montre la photographie. Ils contiennent chacun 15 mL d'emplois d'amidon à 1 %.

On prélève 2 mL dans chacun des tubes en début d'expérience et un test à la liqueur de Fehling et à l’eau iodée est réalisé sur les deux prélèvements. ==> témoin

Plaquettes test montrant l'évolution toutes les trois minutes, en partant du

T15 T30 T60 T90 T120 T150 T180 T0 min

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Verser 1 mL de solution de maxilase dans le tube 2 uniquement. Préparation de la solution de maxilase : dissoudre l'enveloppe d'un cachet en le malaxant sous un filet d'eau. Quand il ne reste que l'intérieur du cachet, broyer celui-ci dans 100 mL d'eau distillée pour obtenir la solution d'enzymes. Immédiatement puis toutes les minutes, prélever deux à trois gouttes dans chaque tube, les déposer dans les cavités d'une plaquette test qui contient une goutte d'eau iodée. Réaliser ce test pendant 15 à 20 minutes. En fin d'expérience, refaire le test à la liqueur de Fehling sur un prélèvement des deux tubes

haut, dans les deux tubes. À gauche en l'absence de maxilase, à droite en présence de maxilase.

Comparer, sous forme d’un tableau, les conditions et les résultats de ces deux expériences. Comparer les vitesses d’une réaction catalysée par une enzyme et d’une réaction catalysée par un

catalyseur chimique dans les conditions les plus favorables Quelle expérience proposez vous afin de montrer que l’enzyme est toujours présente et active en fin

de réaction.

Réaction catalyseur T° de réaction Temps nécessaire pour l’hydrolyse

Concentration du catalyseur

HCl 100°C 40mn forte Hydrolyse de l’amidon amylase 37°C qqmn faible

NC : L’acide chlorhydrique et l’amylase sont des catalyseurs : ils accélèrent une réaction à laquelle ils participent sans être un réactif et sans être modifié. L’enzymes agit à faible concentration, elle est produite par une cellule : c’est un catalyseur biologique

B. Les propriétés des enzymes 1) Spécificité de substrat

TP n°1 (suite) Activité d’une enzyme sur différents substrats Exemple 1 On appelle substrat la molécule sur laquelle s’exerce l’action catalytique d’une enzyme. Proposez et mettez en œuvre un protocole expérimental permettant de voir si l’amylase agit sur d’autres substrats (ex : saccharose). Rédigez un compte-rendu de votre manipulation et une analyse de vos résultats. Vous justifierez le choix du matériel , des témoins , des conditions de l’expérience , de son déroulement et des tests réalisés. TP n°1 (suite) : Manipulation sur ExAO avec la glucose oxydase Exemple 2 La glucose oxydase ou ß-D-Glucose oxydase (sigle : GOD) est extraite du milieu de culture de Champignons, comme Aspergillus niger. Elle catalyse l'oxydation aérobie du D-glucose en gluconolactone, qui se transforme spontanément en acide D-gluconique, avec formation d'eau oxygénée. La réaction catalysée est la suivante :

Glucose oxydase Glucose + H2O + O2 Acide gluconique + H2O2

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L'eau oxygénée produite possédant un effet bactéricide, la Glucose Oxydase participe donc à un processus de défense antibactérien. La GOD est très spécifique du D-Glucose, un stéréo-isomère du glucose. La réaction envisagée entraîne une consommation de dioxygène. La mesure de la consommation de dioxygène est proportionnelle à la consommation de glucose et à la production d'acide gluconique : => la cinétique de la réaction peut être suivie en temps réel par le dosage en continu du dioxygène à l'aide d'une chaîne Exao qui comporte une sonde (permet de mesurer les concentrations en dioxygène d'un milieu et d'évaluer, soit une consommation soit une production). Exemple de résultats

A partir de l’analyse des résultats obtenus, montrer que l’action des enzymes est spécifique d’un

substrat.

2) Spécificité d’action Document avec un même substrat et plusieurs réactions différentes catalysées par des enzymes différentes NC : Les enzymes possèdent une double spécificité :

- une spécificité de substrat : elles ne transforment qu’un seul type de molécule ; - une spécificité d’action : elles catalysent un seul type de réaction enzymatique.

II/ Le mode d’action des enzymes en relation avec leur nature protéique

A. Etude de la cinétique d’une réaction TP n°2 : Mesure de la vitesse initiale en fonction de la concentration du substrat d'une réaction enzymatique. Objectif : Mettre en évidence la formation d’un complexe enzyme-substrat Exao avec GOD ou catalase du navet. (On peut également travailler sur la catalase avec des petits papiers filtres trempés dans une solution de catalase et plongé dans des tubes contenant de l’eau oxygénée. On mesure alors la vitesse de remontée du papier). Exemple de résultats

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La vitesse d'une réaction enzymatique est suivie par la mesure de la quantité de substrat formé

par unité de temps. Analysez la courbe obtenue P = f(t) pour une des concentrations et déterminez à quel moment :

- la vitesse de la réaction enzymatique est la plus faible; - la vitesse de la réaction enzymatique est globalement constante.

La vitesse initiale de la réaction correspond à la pente la plus forte de la partie initiale, linéaire.

Pourquoi choisit-on de prendre cette vitesse initiale comme base de comparaison dans l'étude de l'influence des différents facteurs sur la vitesse d'une réaction enzymatique?

Calculez les vitesses initiales de toutes les courbes obtenues. Tracez la courbe de la vitesse

initiale en fonction de la concentration en substrat : Vi = f([S]). Exemple de courbe obtenue

NC : Les mesures de vitesses de réaction font apparaître que la vitesse croît de moins en moins vite lorsque la concentration en substrat augmente. La vitesse de réaction atteint une vitesse maximale à partir d’une certaine concentration en substrat.

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On peut formuler l’hypothèse suivante : Au delà d’une certaine concentration en substrat, toutes les molécules d’enzymes sont occupées et la vitesse ne peut plus augmentée. Il y aurait donc une liaison temporaire entre enzyme et substrat. Reporter sur la courbe tracée les différentes possibilités (enzyme saturée, nombreuses molécules libres….)

B. le complexe enzyme/substrat 1) Modèle moléculaire

En cours : Utilisation en cours du vidéo projecteur et du logiciel rastop qui permet de représenter une enzyme en 3D et un complexe enzyme substrat. (Si on fait une utilisation en TP, on peut afficher les acides aminés du site actif, et visualiser ceux qui interagissent avec le substrat). Carboxypeptidase

Substrat en rouge , enzyme en bleu

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NC : Les enzymes ont une forme souvent globulaire. Une partie de la molécule présente une forme complémentaire de la molécule de substrat qui peut s’y fixer : c’est le site actif.. Les caractéristiques de la catalyse enzymatique sont déterminées par la structure tridimensionnelle de l’enzyme, qui dépend de sa séquence et des interactions entre les acides aminés.

2) Le site actif des enzymes NC : Le site actif est constitué d’acides aminés plus ou moins éloignés dans la structure primaire de la protéine. La molécule de substrat se fixe sur le site actif de l’enzyme et c’est là que se déroule la réaction. Il est constitué : - un site de reconnaissance, constitué de quelques acides aminés, qui intervient dans la formation du

complexe enzyme-substrat ; - un site catalytique, constitué de 2-3 acides aminés, qui intervient dans la réaction biochimique Pour agir les enzymes se lient de manière transitoire au substrat au niveau du site actif (= région de l’enzyme où s’effectue la catalyse). La formation du complexe enzyme-substrat est indispensable au démarrage de la réaction chimique, c’est au sein de ce complexe que se produit la formation d’un produit de réaction P. Le complexe ES est temporaire et se dissocie dès que la réaction est terminée, l’enzyme est alors libérée et pourra se fixer sur une autre molécule de substrat.... III/ Structure spatiale et activité enzymatique Les propriétés des enzymes dépendent de leur structure spatiale. Des changements de cette structure doivent donc modifier leur activité. On cherche à comprendre les facteurs susceptibles de modifier la structure tridimensionnelle d’une protéine.

A. Séquence et structure spatiale Certaines mutations qui touchent les acides aminés impliqués dans le repliement de la protéine peuvent être à l’origine d’un dysfonctionnement de l’enzyme. Ex : albinisme Les mutations qui interviennent au niveau du site actif de l’enzyme ont des conséquences importantes puisqu’elles empêchent la formation du complexe [E-S].

B. Influence des conditions de milieu 1) Température

TP (suite n°2 ou n°3 ) : Influence de la température sur la vitesse de réactions enzymatique

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Objectif : mettre en évidence les variations en fonction de la température et la réversibilité ou l’irréversibilité de leur action. La Pomme de Terre possède une enzyme, appelée amidon synthétase ou amylosynthétase qui catalyse l'allongement de chaînes d'amylose selon la réaction suivante :

enzyme (glucose)n + glucose-1-phosphate (glucose) n+1 + Pi

amylose Afin d'obtenir l'enzyme 50 g de Pomme de terre ont été broyés avec 30 ml d'eau distillée puis filtrés (papier filtre + coton) ce qui donne une solution enzymatique appelée filtrat de pomme de terre. Vérifier avec de l'eau iodée qu'il n'y a pas d'amidon dans le filtrat. Pour chaque manipulation verser 2 ml du filtrat dans un tube à essai et ajouter 2 mL de la solution de glucose-1-phosphate. Vous disposez du matériel suivant : - solution de glucose-1-phosphate à 10g/L, réactif iodo-ioduré; de glace, d'un bain-marie, d'un

thermomètre, de verrerie (tubes à essai…), plaque en porcelaine;, chronomètre Proposez et mettez en œuvre un protocole expérimental permettant de tester l'influence de la

température sur une enzyme. Présentez vos résultats sous une forme judicieuse (tableau, graphique..), analysez les et concluez. Quelle manipulation proposez-vous afin de vérifier si l'action de la température est réversible ou

non? A partir de vos connaissances sur la nature des enzymes, proposez une explication pour chacune des

phases de l'action de la température sur l'activité enzymatique. Tube n° 1 2 3 4 5

Mélanger : 1 mL de filtrat de tubercule de pomme de terre porté 3 minutes à la température choisie et

1 mL de ce filtrat bien bouilli dans un tube à essai

Contenu

1 mL de solution de glucose - 1 - phosphate porté 3 minutes à la température choisie Puis replacer chaque mélange à la température choisie.

Température (°C)

0 glace fondante

22 ( T° de la salle )

40 ( bain - marie sur table)

70 ( bain - marie au bureau )

22

2) pH

Exercice

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Tracer le courbe de la vitesse initiale en fonction du pH. ;

Déterminer la valeur du pH pour laquelle l’enzyme la meilleure efficacité. Proposer une explication aux résultats observés. NC : Les modifications physico-chimiques du milieu peuvent modifier les propriétés des acides aminés et donc la structure tridimensionnelle de la protéine. Ces paramètres modifient les interactions de faible énergie. Ainsi chaque enzyme possède des conditions optimales de fonctionnement. L’activité est ralentie lorsque les conditions s ‘éloignent de cet optimum. CONCLUSION : LES ENZYMES , DES BIOCATALYSEURS Les enzymes ont des propriétés de catalyseurs : ce sont des substances nécessaires à la réalisation d’une réaction chimique qui agissent à faible dose et se retrouvent intactes en fin de réaction (elles n’entrent pas dans la composition des produits de la réaction). Les enzymes sont des catalyseurs biologiques ou biocatalyseurs (molécules biologiques synthétisées par une cellule vivante) plus efficaces que les catalyseurs chimiques Certaines propriétés des enzymes sont liées à leur nature biologique : Comme toute protéine, elles possèdent une forme tridimensionnelle caractéristique. L’enzyme possède une zone en creux, appelée site actif et capable de fixer le substrat et de catalyser la réaction.

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Tout facteur modifiant la structure de la protéine enzymatique modifie + ou - complètement son activité.... - elles sont dénaturées par une forte élévation de température et - inactivées à basse température Du fait de leur nature protéique, elles possèdent une double spécificité ( substrat, réaction) et sont sensibles aux conditions de milieu (pH, température). Pour poursuivre et mettre en relation avec la partie génotype/phénotype, il faudrait envisager l’équipement enzymatique d’une cellule et son relation avec l’expression du génotype. Dans le chapitre suivant, on envisagera tout d’abord la synthèse des protéines

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EPREUVE PROFESSIONNELLE AU NIVEAU LYCEE

DU GENOTYPE AUX PHENOTYPES (LYCEE)

Remarques rapports de jury - Succession organisée de postes (4 à 6 en moyenne) - Plan scientifique inscrit au tableau avant le début de la leçon qui fait apparaître les différents

postes de travail ; - Bien articuler les différents postes ; - Le candidat doit présenter chaque poste en rédigeant une fiche qui précise les objectifs cognitifs et

méthodologiques ainsi que le questionnement posé aux élèves. - Préciser les situations pédagogiques

o Travail collectif ; o Travail individuel o Travail de groupe, rotation par poste….

Fiche de demande de matériel demandée par le jury :

Dans les programmes

o Première S L’ensemble du programme s’articule autour des relations existant entre le génotype d’un organisme et son phénotype. Dans un premier temps, la notion de phénotype est étudiée à différentes échelles: macroscopique, cellulaire et moléculaire. Les différents niveaux d’organisation une fois établis, le rôle fondamental des protéines dans la réalisation du phénotype est approfondie à travers l’exemple des protéines enzymatiques. L’étude de la synthèse des protéines permet, en s’appuyant sur les acquis de la classe de seconde, d’établir le lien entre gènes et protéines. La compréhension du fait que la diversité phénotypique résulte d’interactions complexes entre la variabilité génétique et l’environnement est l’aboutissement logique de cette progression. Dans un second temps, l’étude de la morphogénèse des végétaux offre l’occasion de relier différents processus cellulaires, permettant l’établissement du phénotype, à l’influence de certains facteurs de l’environnement. THÈME GÉNÉRAL : DES PHÉNOTYPES À DIFFÉRENTS NIVEAUX D’ORGANISATION DU VIVANT Horaire : 20 semaines à raison de 2 heures de cours par semaine et 2 heures de travaux pratiques. Du génotype au phénotype, relations avec l’environnement (durée indicative: 6 semaines) Cette partie du programme s’appuie sur les connaissances acquises en classe de troisième (génétique) et de seconde (cellule et ADN). Elle permet d’approfondir les relations entre l’information génétique et les conséquences phénotypiques de son expression. À partir de l’analyse des diverses échelles permettant de définir un phénotype, il s’agit d’étudier les rôles respectifs des gènes et de l’environnement dans la réalisation de ce phénotype. L’importance des facteurs de l’environnement comme modulateurs de l’activité des protéines enzymatiques est rapprochée de la participation des protéines à la réalisation du phénotype. La relation entre gènes et protéines est établie. Elle permet de faire le lien entre la diversité allélique au sein d’une espèce et ses conséquences phénotypiques . Ce chapitre souligne que la diversité phénotypique au sein d’une espèce est le résultat d’interactions complexes entre la variabilité génétique et l’environnement.

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Activités envisageables Notions et contenus

Analyse d'un exemple comme la drépanocytose ou la phénylcétonurie...Comparaison de la structure des protéines en relation avec l'exemple étudié

La diversité des phénotypes Le phénotype peut se définir à différentes échelles : de l'organisme à la molécule. Les phénotypes alternatifs sont dus à des différences dans les protéines concernées.

Analyse d'exemples : voie métabolique, pigments des yeux de drosophile, albinisme, pigments végétaux. Cas des drépanocytoses, des phénylcétonuries. Exemple d'un cancer, prédisposition familiale, rôle de l'environnement et de l'alimentation.

Complexité des relations entre gènes, phénotypes et environnement Un phénotype macroscopique donné résulte de processus biologiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes. La mutation de l'un seulement de ces gènes peut altérer ce phénotype. Un même phénotype macroscopique peut donc correspondre à plusieurs génotypes. Chez un individu donné, l'effet des allèles d'un gène va dépendre également de l'environnement

La morphogénèse végétale et l’établissement du phénotype (durée indicative: 5 semaines) Le phénotype morphologique d’un individu est le résultat des interactions entre l’expression du génotype et son contrôle par l’environnement. L’établissement de ce phénotype met en jeu un ensemble de processus biologiques dont des gènes sont responsables (mitose, métabolisme cellulaire, action d’hormones, mise en place des structures de l’organisme). Les gènes gouvernent à la fois les grands traits de l’organisation et les détails de la structure, en permettant la synthèse de protéines spécifiques aux diverses échelles qui constituent l’organisme (cellules, tissus, organes, plan d’organisation). L’expression de ces gènes est soumise à des facteurs externes (abiotiques ou biotiques) dont la variabilité s’ajoutent à la diversité allélique pour aboutir à une diversité phénotypique individuelle. L’étude de la morphogénèse des végétaux permet d’aborder dans un cadre intégré ces différents phénomènes qui contribuent à l’établissement du phénotype.

Activités envisageables Notions et contenus Observations de ports différents de végétaux d’une même espèce et d’espèces différentes Observations de ports de végétaux dans différentes conditions d’environnement (cf sortie)

La diversité morphologique des végétaux La morphologie d’un végétal dépend en partie des caractéristiques génétiques de l’individu. En fonction de leur environnement, des individus d’une même espèce peuvent avoir une morphologie différente.

Préparation/obs de cellules végétales Mee de la paroi Mee de la turgescence cellulaire Obtention de protoplastes Expériences historiques (auxine)

Dans la tige, la croissance cellulaire est contrôlée par une hormone : l’auxine La paroi des cellules végétales en extension est constituée de polysaccharides, dont la cellulose et les hémicelluloses La pression de turgescence cellulaire et la plasticité pariétale permettent la croissance cellulaire. Elle est synthétisée par l’apex des tiges.

Le développement du végétal est influencé par la répartition des

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Réalisation et (ou) analyse d’expériences montrant le rôle de l’auxine sur la croissance différentielle entre les deux faces d’un organe. Réalisation ou analyse d’expérience de clonage

hormones en interaction avec les facteurs de l’environnement La répartition inégale de l’auxine dans les tissus, conséquence d’un éclairement anisotrope, permet une croissance orientée. Les ramifications naturelles ou provoquées sont sous la dépendance d’un changement de répartition des hormones dans le végétal qui conduit à un changement de morphologie. La totipotence des cellules végétales permet le clonage. Les proportions des différentes hormones (rapport des concentrations d’auxine et de cytokinines) contrôlent l’organogenèse (tige racines).

La régulation de la glycémie et les phénotypes diabétiques (durée indicative: 3 semaines) Cette partie du programme a pour but de prolonger les connaissances acquises en classe de seconde sur l’adaptation de l’organisme aux variations de l’environnement (effort musculaire). Elle met en évidence le fait qu’une fonction physiologique, la régulation de la glycémie à court terme, est l’expression d’une information génétique multiple. Dans certains cas, des facteurs environnementaux tels que les déséquilibres alimentaires peuvent modifier cette régulation. Il s’agit d’envisager la glycémie comme un paramètre du milieu intérieur maintenu constant à court terme en fonction des besoins de l’organisme. Cette constance est le résultat de la mise en jeu de l’homéostat glycémique: système réglé, système réglant. Seule est étudiée la régulation de la glycémie à court terme après un jeûne de courte durée ou après un repas. L’intégration de la glycémie dans des boucles de régulation plus complexes, sous-tendant des processus de régulation à long terme, ne fait pas partie du programme.

o Terminale S Procréation (6 semaines) Les mécanismes cellulaires de la méiose et de la fécondation sont apparus au cours du temps en association avec des phénomènes physiologiques et comportementaux (reproduction sexuée et sexualité).

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On aborde les problèmes en se plaçant dans la perspective d’une étude développementale : dans le prolongement de l’étude du génotype au phénotype du programme de première S, on envisage les mécanismes en jeu dans la réalisation du phénotype sexuel à partir du génotype. Les notions étudiées en classe de première sur les caractéristiques d’un système de régulation à propos de la glycémie sont réinvesties pour l’étude d’une régulation plus complexe (trois niveaux de régulation : gonades, hypophyse, hypothalamus). Cette étude permet d’aborder les notions de neurohormone sécrétée par l’hypothalamus, de rétroactions hormonales, de cycle menstruel, de puberté et de ménopause. Les Hominidés se différencient des autres mammifères par une dissociation partielle entre sexualité et reproduction. La connaissance des mécanismes régulateurs du cycle menstruel permet la maîtrise de la procréation qui par certains de ses développements pose des problèmes éthiques.

Immunologie (4 semaines) Les défenses immunitaires sont capables de distinguer les cellules et molécules d’un individu des éléments étrangers ou qui le sont devenus. Elles sont capables d’éliminer ces éléments étrangers à l’organisme. Déjà étudiées en classe de 3ème, les réactions immunitaires innées font partie des connaissances des élèves et ne sont pas développées en dehors de leur action de coopération lors des phases effectrices des réactions immunitaires acquises. Leur importance est cependant rappelée. Les réactions immunitaires acquises sont propres aux vertébrés, elles impliquent reconnaissance acquise et mémoire. Leur étude est abordée à partir d’un exemple, le SIDA, qui sert de support à des généralisations sur les aspects fondamentaux du fonctionnement du système immunitaire. Les notions et contenus du programme ont été rédigés de manière exhaustive pour souligner leurs limites, dans la mesure où l’étude du virus de l’immunodéficience humaine (VIH) et du SIDA servent de support à l’étude de l’immunologie. Cette partie, en prolongement de la première S, permet de réfléchir sur le phénotype (l’adaptabilité et la variabilité du système immunitaire) et sur son évolution au cours du temps, résultat de l’interaction entre le génotype et l’environnement. Cette variabilité du système immunitaire assure l’intégrité et donc la stabilité des organismes.

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Bibliographie GOLDSBY, KINDT, OSBORNE : Immunologie, le cours de Janis KUBY. 2001 et 2003 (Dunod) REVILLARD et ASSIM : Immunologie.3ème édition, 1998 (De Boeck) MARIEB : Anatomie et Physiologie Humaines.1999 (De Boeck) + 6ème édition 2005 (Pearson education) POUR LA SCIENCE : - L’intégrale des articles 1996-2002 (CD-ROM) - L’intégrale des dossiers (32 dossiers) : Tous les articles des Hors-séries de Pour la science (CD-ROM) Encyclopaedia Universalis 2008(CD v13)

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I/ Différents niveaux de définition du phénotype Un génotype, des phénotypes observables à différentes échelles

A. La drépanocytose Observation microscopique de frottis sanguins (sain ; avec drépanocytose) Document avec signes cliniques, étude du contenu en hémoglobine des hématies (- Obj cognitif : découvrir la notion de phénotype et les trois niveaux de définition : organisme, cellulaire, moléculaire ; - obj méthodologique : Utiliser le microscope, représenter des données sous forme d’un tableau - Situation : activité par groupe en TP) Décrire le phénotype des drépanocytaires aux échelles macroscopique, cellulaire et moléculaire en le

comparant aux phénotype d’un individu sain. Présenter les résultats dans un tableau comparatif. Phénotype moléculaire Phénotype cellulaire Phénotype

macroscopique Phénotype sain Hémoglobine dissoute

dans le cytoplasme Hématies biconcaves

Phénotype atteint Hémoglobine insoluble, en forme de fibre rigide

Hématies falciformes et peu déformables

Anémie chronique et accidents viscéraux

Les différents niveaux de définition d’un phénotype sont intimement liés puisque les protéines interviennent dans la structure et les activités cellulaires et que les cellules interviennent dans la constitution et le fonctionnement de l’organisme.

B. Les protéines, support moléculaire du phénotype 1) Structure de la molécule d’hémoglobine

POSTE 1 : Ordinateur avec logiciel Rastop ou rasmol - Obj cognitif : Comprendre au niveau moléculaire les différences entre phénotype sain et drépanocytaire. - obj méthodologique : adopter une démarche explicative, utiliser un logiciel de visualisation de données - Situation : activité par groupe en TP Démarche en plusieurs étapes :

organisation de la molécule d’hémoglobine, Différence moléculaire entre HbA et HbS Faire le lien entre la biochimie de l’hémoglobine et la polymérisation en fibres capables de

déformer les hématies. Visualisation de la molécule d'hémoglobine. Lancer RASMOL. Choisir Fichier, Ouvrir, hb-drep, hba.pdb, OK. Choisir Afficher, Bâtonnets, rayon 150, OK. Choisir Colorer, par Chaîne/segment. Taper select hem valider. Taper color orange valider puis select *.fe valider puis color red valider. Choisir Afficher, sphères, rayon 500, OK.

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Séquences des chaînes de globine

Structure tridimensionnelle de l’hémoglobine

L'hémoglobine est un tétramère formé par l'association de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux : deux chaînes alpha (globines alpha) composées de 141 acides aminés et deux chaînes bêta (globines bêta) de 146 acides aminés.

2) Comparaison des hémoglobines A et S Pourquoi cette désoxyhémoglobine se polymérise-t-elle au point de former des fibres responsables de la déformation des hématies ? Comparer la globine bêta du sujet sain à celle du sujet atteint de drépanocytose Globine bêta du sujet sain

Globine bêta du sujet malade

Comparaison des deux globines

Comparaison de la structure des hémoglobines Hémoglobine A

Hémoglobine S

Comparaison des deux hémoglobines

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Quel rôle la valine n° 6 joue-t-elle dans la polymérisation de l’hémoglobine ? Deux molécules d’hémoglobine sicklémique prélevées dans un précipité fibreux de polydésoxyhémoglobine S d’une hématie falciforme. Affichage en rubans

Les différents phénotypes drépanocytaires sont dus à la différence d’un acide aminé dans la séquence des protéines.

C. Phénotypes et génotype On cherche à comprendre comment la séquence d’une protéine est déterminée génétiquement POSTE : Ordinateur avec logiciel anagène - Obj cognitif : mettre en relation phénotype et génotype - obj méthodologique : utiliser un logiciel de traitement de données, adopter une démarche explicative - Situation : classe entière avec vidéoprojecteur

- Lancer ANAGENE, charger le thème d'étude "expression de l'information génétique" puis "relation génotype phénotype" puis "phénotype drépanocytaire". L'écran suivant doit apparaître :

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En comparant la longueur en acides aminés d'une part et en bases azotées d'autre part, il est possible d'aboutir à la notion de triplet et de faire la relation entre un triplet et un acide aminé. La recherche des différences entre les deux chaînes amène à la notion de codage entre gène et protéine. Un premier triplet peut ici être décodé.

NC : Lorsqu’on compare les allèles A et S responsables de la synthèse des molécules de globine bêta, on constate que leurs séquences diffèrent pour le vingtième nucléotide, ce qui pourrait expliquer les différences entre les protéines. Ainsi le génotype, ensemble des allèles, serait à l’origine des différents niveaux de phénotype. Cette première partie nous a permis de montrer les différents niveaux d’étude du phénotype, (organisme, cellulaire et moléculaire) et le rôle fondamental des protéines. La fonction des protéines est déterminée par leur séquence qui est elle-même déterminée par le programme génétique de l’individu (génotype). Le passage du génotype au phénotype moléculaire et , donc, l’expression génétique sera étudié dans le chapitre suivant (choix à justifier). II/ Influence de l’environnement sur l’expression du génotype Un génotype et différents phénotypes en relation avec l’environnement

A. Phénylcétonurie (ou cancer)

B. Développement d’un végétal influencé par la répartition des hormones en relation avec les facteurs environnementaux Exemple 1 : Lumière et phénotype végétal

Afin de déterminer l’influence d’un facteur de l’environnement (lumière) sur la réalisation du phénotype macroscopique des végétaux, une expérience est réalisée.

A Réaliser • On dispose

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- de graines aptes à la germination de haricot et de pois; - de boites de pétri, de caches noirs, de coton

• Etablir un protocole afin de rechercher si la morphologie de la plantule dépend de la présence ou non de la lumière lors de la germination et de la croissance.

Exemple 2 : Levures ( = > changer titre B) On se propose de montrer que l’absence d’oxygène chez les levures Ade2 a des conséquences sur le phénotype. Les levures sont des champignons unicellulaires qui peuvent être cultivés sur de la gélose. En présence de nutriments, elle se divisent activement et forment des colonies visibles à l’œil nu. Réaliser

- Prélever avec un cure dent stérile quelques cellules de levures à partir d’une colonie. Les mettre en suspension dans un tube d’eau stérile.

- Agiter la solution de façon à bien séparer les cellules - Si la solution est trouble, la diluer de façon à ce qu’elle ne soit plus trouble. - Déposez 2 à 3 gouttes de la suspension au centre au centre de la boîte. - Etaler les cellules sur toute la surface de la boite. - Inciser puis replier la gélose sur elle même afin d’obtenir un milieu anaérobie. Au bout d’une

semaine de culture, observations et conclusions Résultats Boite témoin Boite avec milieu anaérobie

Les levures Ade 2 ne peuvent pas transformer un précurseur (l’AIR : aminoimidazole ribotide) en CAIR (amino carboxyyimidazole ribotide) car elles ne possèdent pas l’enzyme indispensable à cette réaction.

- En présence de dioxygène, cette substance est oxydée et forme un pigment rouge ; - En l’absence de dioxygène, les levures fermentent et la substance AIR n’est pas oxydée.

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III/ Modification des phénotypes d’un individu au cours du temps, résultat des interactions entre

génotype et environnement A. Modification des phénotype suite à une contamination

TP : Les différentes phases de modification du phénotype suite à la contamination par le virus du SIDA POSTE : Lame de sang : les cellules du système immunitaire - Obj cognitif : cellules immunitaires et variations suite à une contamination - obj méthodologique : représenter une observation par un dessin, utiliser un microscope, adopter une démarche explicative, représenter les données sous forme d’un tableau - Situation : TP Faire le dessin des cellules du système immunitaires contenues dans le frottis sanguin

Granulocytes Monocytes Lymphocytes

9 à 15 µm 14 à 25 µm 7 à 15 µm

4500 à 5500 mm-3 300 à 600 mm-3 600 à 1500 mm-3

Documents

réaction du système immunitaire à l'infection par le VIH

Concentrations sanguines (unités arbitraires)

Lymphocytes T cytotoxiques tuant les cellules infectées par le VIH

Anticorps anti-VIH

Primo infection

Phase asymptomatique

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Tableau à remplir par les élèves

Phases de l'infection

Phénotype Clinique

Phénotype Cellulaire

Phénotype moléculaire

POSTE : L’apparition des anticorps et la modification du phénotype moléculaire => électrophorèse - Obj cognitif : mettre en évidence la modification du phénotype moléculaire - obj méthodologique : réaliser une manipulation en réalisant un protocole, - Situation : TP

Autre possibilité POSTE : Modification du phénotype moléculaire. Exemple du sérodiagnostic. Test Elisa

B. Des modifications provoquées par l’Homme : les vaccinations Exercice Le tétanos est une maladie extrêmement grave qui peut être mortelle. Elle est due à un bacille qui vit dans le sol et peut contaminer un individu à la suite d'une plaie non désinfectée. Le bacille se développe au niveau de la plaie et produit une toxine qui agit sur les cellules nerveuses. Une personne, non vaccinée contre le tétanos, s'est profondément blessée à une clôture souillée. Afin d'empêcher le développement éventuel de la maladie, le médecin procède d'abord à une injection simultanée de sérum et d'un vaccin antitétaniques. Puis il pratique ensuite qui sont suivis d'une deuxième et d'une troisième injection du vaccin. Le sérum antitétanique contient des anticorps anti-toxine tétanique. Le vaccin est constitué d'anatoxine tétanique (toxine non pathogène ayant des déterminants antigéniques communs avec la toxine tétanique). La concentration plasmatique d'anticorps antitoxine tétanique est mesurée chez le patient. Les résultats sont les suivants:

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En utilisant les données du graphique, expliquez comment les différentes injections permettent de

faire évoluer les phénotypes cellulaire et moléculaire du patient et lui assurent une protection contre le tétanos.

Concentration plasmatique d'antitoxines tétaniques (UI / ml de plasma)

Concentration plasmatique d'anticorps suite à la vaccination

Concentration plasmatique d'anticorps suite à l'injection de sérum

Injection de sérum

Injections de vaccin