SVT - TS
- Spécialité
- Thème 1 - La Terre dans l'univers, la vie et l'évolution des êtres vivants : énergie et cellule vivante
- ou :
- Thème 1 - Énergie et cellule vivante.
- Programme TS - BO spécial n°8 du 13 octobre 20122
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Préambule
La problématique à
traiter dans le cadre du thème 1 du programme de spécialité interroge
les modalités cellulaires du flux d’énergie dans les systèmes vivants.
Elle identifie des couplages dans lesquels l’ATP joue un rôle majeur.
Son traitement s’appuie sur des acquis épistémologiques construits les
années précédentes et nécessite de maîtriser quelques bases
scientifiques.
Les bases épistémologiques
En
classe terminale, le parcours scolaire et personnel de l’élève lui
permet de disposer d’éléments d’information établis dans la perspective
de comprendre le monde dans lequel il vit. Scolairement, cette
compréhension a fait appel à de nombreuses reprises au concept d’énergie
aussi bien en sciences de la vie et de la Terre, qu’en physique-chimie
et en technologie. La mise en cohérence préalable de ces connaissances
est nécessaire à l’approche de la problématique de ce thème. Elle permet
l’ancrage de connaissances déjà mémorisées et l’ouverture sur un
questionnement plus approfondi.
Abordées en SVT
Les composants des systèmes vivants se transforment en permanence. Ces transformations sont source d’effets repérables à différentes échelles. Ainsi, à l’échelle de la biosphère, les êtres vivants interviennent dans le cycle du carbone, du dioxygène ou de l’eau. A l’échelle des écosystèmes, la matière est transformée au sein des réseaux trophiques. A l’échelle des organismes, les différentes fonctions sont réalisées grâce à des processus spécifiques de la vie. Enfin, à l’échelle cellulaire se déroulent diverses réactions métaboliques.
A l’origine de ces transformations, diverses formes d’énergie peuvent être identifiées. Il s’agit de l’énergie lumineuse provenant du soleil et de l’énergie chimique.
Les
végétaux chlorophylliens nécessitent de l’énergie solaire pour
synthétiser leur propre matière grâce à la photosynthèse. Cette matière
est utilisée par les organismes non chlorophylliens. Les échanges gazeux
respiratoires présents chez nombre d’organismes sont un indice d’une
libération d’énergie chimique à partir de la matière. La contraction musculaire met en oeuvre une énergie mécanique. Il existe ainsi, à l’échelle de la biosphère et des écosystèmes, un flux énergétique intimement lié aux cycles de la matière permettant de passer de l’énergie lumineuse à l’énergie chimique et mécanique.
Abordées en physique-chimie
Le thème « Énergie et cellule vivante » remobilise des notions abordées dans le programme de physique-chimie de première S dans les deux domaines suivants.
Matière et énergie : Énergie
chimique libérée (lors d’une combustion), formes d’énergie et principe
de conversion d’énergie, stockage et conversion de l’énergie chimique,
réaction d’oxydoréduction.
Lumière et matière :
Émission, absorption, énergie d’un photon, spectre solaire,
caractéristiques des molécules organiques colorées. Cet aspect est
complété en terminale S par une partie consacrée à l’analyse spectrale.
Les fondements scientifiques
« Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. »
La cellule apparaît comme un système vivant échangeant matière et énergie avec son environnement, il est assimilable à un système thermodynamique ouvert.
Différentes
catégories de cellules peuvent être distinguées en fonction des
molécules et des formes d’énergie qu’elles échangent avec leur
environnement.
Les cellules chlorophylliennes présentent
la capacité d’utiliser de l’énergie lumineuse afin de synthétiser des
molécules organiques à partir de molécules minérales. L’énergie
lumineuse est convertie en énergie chimique (conversion photochimique).
L’étape clef en est un couplage photochimique impliquant la chlorophylle.
Utilisant l’énergie lumineuse comme source d’énergie, ces cellules chlorophylliennes sont phototrophes.
Elles
font entrer l’énergie dans la quasi-totalité des écosystèmes
terrestres. Utilisant le CO2 en tant que source de carbone, elles sont autotrophes pour le carbone
L’entrée d’énergie dans les autres cellules eucaryotes s’effectue directement sous forme chimique. Ces autres cellules sont chimiotrophes. Utilisant des molécules organiques pour produire leurs propres molécules organiques, elles sont hétérotrophes pour le carbone.
Toutes les cellules,
qu’elles soient photosynthétiques ou non, oxydent les molécules
organiques récupérant ainsi de l’énergie chimique pour produire de
l’ATP. Différentes formes de couplages sont mis en jeu (couplage
chimiochimique, chimioosmotique et osmochimique). Seule l’implication
de couplages chimiochimiques figure au programme.
L’ATP
ainsi produit est une forme d’énergie chimique utilisable pour toutes
les activités cellulaires, ceci grâce à différents types de couplages.
Par exemple, dans la cellule musculaire, l’énergie chimique de l’ATP est convertie en mouvement ou énergie mécanique grâce à un couplage chimiomécanique impliquant des protéines motrices.
Les
transferts d’énergie dans les cellules s’opèrent donc grâce à des
couplages dont trois types sont abordés dans le cadre du programme : couplages photochimique, chimiochimique et chimiomécanique.
Schéma récapitulant les couplages énergétiques présentés dans le cadre du programme (cf « ressources ») :
Site :
PDF (page 3/8) :
http://cache.media.eduscol.education.fr/file/SVT/03/7/Energie_et_cellule_vivante_220037.pdf
Supports pour l’investigation
Typologie des activités proposées :
[Hist] : Démarche historique
[Exp] : Démarche expérimentale
[Obs] : Démarche d’observation
[Doc] : Démarche documentaire
[Num] : Outils numériques
Comprendre l’entrée de l'énergie lumineuse dans les systèmes vivants : la photosynthèse
Repérer le processus et identifier les structures impliquées
[Hist] Suivi des marquages isotopiques du carbone (CO2) afin de repérer son devenir.
[Exp] Suivi
des échanges d’O2 et de CO2 par ExAO (ou autres méthodes) afin de
repérer le lien entre consommation du CO2, production d’O2 et
photosynthèse.
[Exp] Coloration
par de l’eau iodée de feuilles exposées ou non à la lumière durant
plusieurs heures (expérimentation sur des feuilles panachées, Coleus,
Géranium) afin d’identifier le lien entre besoin de lumière, de
chlorophylle et synthèse d’une molécule organique : l’amidon.
[Obs] Observation
microscopique de feuilles (coupe de feuille fraiche, feuille d’Élodée)
afin de préciser la localisation de la chlorophylle dans les cellules
chlorophylliennes.
Innovations techniques [1]
Lampe halogène à hauteur réglable
Préciser les structures cellulaires concernées et les molécules impliquées
[Doc] Observation d’électronographies de chloroplastes afin de repérer leur microstructure.
[Doc] ou [Obs] Observation de feuilles d’Elodée colorées à l’eau iodée au microscope optique afin de localiser la synthèse d’amidon.
[Exp] Réalisation
d’une chromatographie d’un extrait de feuilles, sur papier ou sur
colonne, afin de connaître la nature de la chlorophylle brute.
[Exp] Réalisation
d’un spectre d’absorption d’une solution de chlorophylle brute afin de
repérer ses propriétés vis-à-vis de la lumière.
[Exp] Réalisation
de spectres d’absorption des pigments séparés par chromatographie afin
de repérer la contribution des différents pigments dans le spectre
d’absorption total.
[Exp] ou [Doc] Étude
expérimentale (ExAO) de l’intensité photosynthétique en éclairant avec
différentes radiations lumineuses afin de déterminer l’efficacité
photosynthétique des radiations absorbées par les pigments.
[Num] Étude
de la structure des molécules impliquées dans le métabolisme (ATP, ADP,
NAD, NADH) avec un logiciel de modélisation moléculaire pour
comprendre leurs propriétés.
Innovations techniques
Spectrophotomètre relié par USB [2]
Éclairage monochromatique sur lampe halogène à hauteur réglable [3]
Amplificateur d’électrode avec utilisation d’un pH mètre en tant que sonde à CO2 [4]
Enceinte cellulaire à miroir et éclairage LED [5]
Ampoules LED 16 couleurs et haute luminosité [6]
Dévoiler le processus métabolique
[Hist] Étude
de résultats expérimentaux (Expérience de Gaffron), afin de repérer les
modalités d’action de la lumière sur le processus photosynthétique.
[Hist] Étude
de résultats expérimentaux (Expérience d’Arnon) afin de préciser la
localisation de chaque phase et la nature des molécules produites
[Exp] et [Hist] Expérimentation
ExAO : Expérience de Hill sur des thylakoïdes isolés afin de repérer
les modalités du processus photosynthétique à ce niveau d’organisation
du chloroplaste ainsi que celles de l’oxydation de l’eau en O2.
[Hist] Comparaison
de potentiels redox de couples redox mis en jeu. (Fe3+/Fe2+; O2/H2O ;
R/RH2) pour repérer la nécessité de l’apport d’énergie lumineuse afin de
comprendre l’oxydation de l’H2O en O2
[Hist] Étude de l’expérience de Calvin et Benson afin de repérer les molécules dans lesquelles s’intègre le carbone issu du CO2.
[Hist] Étude
des expériences de Bassham et Calvin (suivi du Ru1-5bisP et de l’APG
lors du passage à l’obscurité ou à un milieu sans CO2) afin de suivre le
mécanisme d’incorporation du CO2.
Comprendre
l'utilisation de molécules organiques afin de récupérer de l'énergie
utilisable : la respiration cellulaire et la fermentation
Découvrir le devenir des molécules organiques source d’énergie
[Exp] Étude
du métabolisme de parties chlorophylliennes et non chlorophylliennes
d’un végétal en présence ou en l’absence de lumière par ExAO afin de
repérer les types cellulaires concernés par le métabolisme respiratoire.
[Exp] Suivi
du métabolisme chez la levure en conditions aérobie et anaérobie avec
caractérisation et dosage des produits formés afin d’identifier le
devenir d’une molécule organique substrat : le glucose.
[Exp] Suivi
de la fermentation alcoolique d’une part et de la respiration d’autre
part chez la levure en fonction de la nature ou de la concentration en
substrat, de la température, du pH, de la disponibilité en O2 afin de
déterminer les conditions d’une dégradation partielle et complète des
molécules organiques.
[Hist] Recherche
documentaire sur les découvertes principales de Pasteur à propos de la
fermentation (en les resituant dans leur contexte historique).
[Num] et [Doc] Recherche
documentaire sur les utilisations de la fermentation dans le domaine de
l’agroalimentaire (vins, cidres, bières, pains…).
[Exp] Modification
des conditions d’une fermentation (panification, production de
bioéthanol…) afin de comprendre les effets de l’environnement sur la
réalisation des réactions métaboliques.
[Exp] Utilisation
du modèle de la bactérie lactique afin de repérer les spécificités de
cette dégradation partielle du substrat organique. [7]
Identifier les structures cellulaires concernées et les processus métaboliques en jeu
[Doc] Observation
comparée d’électronographies de cellules de levures en aérobiose et
anaérobiose afin d’interroger les différences entre les organites les
constituant.
[Exp] Mesure
de l’efficacité respiratoire de différents substrats chez la levure et
sur des mitochondries isolées par ExAO afin de repérer les modalités du
processus respiratoire.
[Exp] [Hist] Transposition
en ExAO de certaines expériences historiques de Krebs sur des
mitochondries isolées afin de préciser le processus respiratoire, par
exemple :
• Action du succinate, malate, oxaloacetate : activation de la respiration.
• Action du malonate (inhibiteur de l’oxydation du succinate en fumarate) : inhibition de la respiration.
[Exp] [Hist] Utilisation
de poisons métaboliques afin de déterminer l’ordre d’intervention des
complexes dans le fonctionnement de la chaîne respiratoire.
[Exp] Extraction
et dosage de l’ATP (bioluminescence - luciférase) de levures placées
dans différentes conditions pour repérer et quantifier la production
d’énergie par la cellule.
[Num] Étude
de la structure des molécules impliquées dans le métabolisme (ATP, ADP,
NAD, NADH) avec un logiciel de modélisation moléculaire pour comprendre
leurs propriétés.
[Exp] Extraction
et dosage par bioluminescence de l’ATP de levures placées en aérobiose
et en anaérobiose pour quantifier comparativement la production d’ATP de
la respiration et de la fermentation.
[Exp] Réalisation
d’un extrait enzymatique de levures (possibilité de mutants) et
caractérisation à l’aide d’une galerie API afin de repérer la diversité
des enzymes impliquées dans le métabolisme.
Comprendre la réalisation d'une activité cellulaire source d’énergie mécanique : la contraction musculaire
Repérer l’énergie chimique dont disposent les cellules musculaires
[Exp] Recherche
d’ATP dans un muscle de boeuf (steack) par bioluminescence (grâce au
complexe luciférine – luciférase) pour repérer sa présence et le doser
par utilisation d’une courbe-étalon. [8]
[Exp] Suivi
de la contraction du muscle gastrocnémien de lombric par un
microkinétomètre avant et après ajout d‘ATP afin de repérer sa nécessité
dans la contraction. [9]
[Obs] Utilisation
du modèle de la cyclose de chloroplastes en présence / absence
d’inhibiteur de la production d’ATP (acide cyanhydrique) afin de relier
utilisation d’ATP et mouvement.
[Doc] Étude
de résultats expérimentaux sur la tension de myofibrilles en présence
d’ATP et d’un inhibiteur de son utilisation (salyrgan) afin de repérer
la nécessité de l’ATP pour la contraction.
[Doc] Suivi de la concentration musculaire d’ATP avant et après contraction afin de montrer le maintien de sa disponibilité.
Identifier les métabolismes permettant la mise à disposition d’énergie chimique aux cellules musculaires
[Doc] Étude
de la variation de l’intensité respiratoire au cours d’un exercice à
l’échelle de l’organisme afin de relier consommation d’O2 et énergie
nécessaire à la contraction (cf programme de seconde).
[Doc] Observation
d’électronographies de muscles. Comparaison de fibres musculaires
lentes et rapides afin d’identifier les ultrastructures cellulaires
impliquées.
[Doc] Suivi chronologique de la consommation de dioxygène afin de repérer les modalités de régénération de l’ATP.
[Exp] Recherche et dosage du glycogène musculaire afin d’interroger la présence de réserves énergétiques.
[Doc] Suivi des concentrations en glycogène dans la cellule musculaire afin de repérer l’utilisation de réserves énergétiques.
[Doc] Suivi
des concentrations plasmatiques en acide lactique au cours de l’effort
pour repérer une fermentation lactique au niveau musculaire.
[Doc] Suivi
de la glycémie et des pressions partielles en O2 et CO2 dans les
artérioles et veinules au contact du muscle pour repérer la
consommation de glucose et les échanges gazeux à l’effort, témoins de la
respiration.
[Doc] Comparaison
des propriétés des fibres rapides et lentes au cours de la contraction
afin de les relier aux différentes voies de régénération de l’ATP.
Dévoiler le processus de conversion de l’énergie chimique en énergie mécanique
[Obs] Étude
en microscopie optique de muscle cuit ou cru dilacéré ou de coupes
transversales et longitudinales de muscle afin de repérer l’organisation
structurale permettant la contraction musculaire.
[Doc] Étude
en microscopie électronique de sarcomères dans une fibre relâchée ou
contractée pour comprendre leur déplacement au cours de la contraction
[Num] Animation
montrant les relations entre actine et myosine dans le cycle
attachement / pivotement pour préciser le rôle de l’ATP dans les
interactions moléculaires au sein des sarcomères et donc le couplage
chimiomécanique.
Ressources documentaires
Bibliographie
- PRAT, Roger, Expérimentation en biologie et physiologie végétales, Hermann, 2007.
Ouvrage récent de protocoles expérimentaux notamment sur les pigments, respiration et fermentation, photosynthèse.
- HELLER, René, et al, Physiologie végétale : Tome 1 Nutrition, Dunod, 2004.
- HOPKINS, Physiologie végétale, De Boeck, 2006.
Ouvrages de référence en physiologie végétale.
- FARINEAU et al., La photosynthèse : processus physiques, moléculaires et physiologique, Quae éditions, 2011.
Ouvrage très complet et actuel sur le sujet.
- POL, Didier, Travaux pratiques de biologie, Editions Bordas, 1994.
Protocoles expérimentaux.
- COSTILL, David, L. et al., Physiologie du sport et de l'exercice, Nathan,2006.
Adaptations physiologiques à l’effort.
- FLANDROIS, Roland, et al., Physiologie du sport, Masson, 2007.
Bases physiologiques des activités physiques et sportives.
- SALVIAT, Béatrice, et al., Biologie-Géologie APBG n°2 p271, 1997.
La respiration du muscle broyé : expériences de Krebs transposées pour l’ExAO.
- POL, Didier, Biologie-Géologie APBG n°1 p93, 1994
Un outil pédagogique original : la bioluminescence.
- BIGARD, André-Xavier - Pour la science, N°276, 2000.
L'adaptation du muscle à l'entraïnement.
Sitographie
Pages présentant le matériel d’expérimentation disponible chez les différents fournisseurs et des pistes d’activités expérimentales (numéros entre crochets)
Pages d’accès aux programmes du cycle terminal de la voie générale du lycée
http://eduscol.education.fr/pid23202-cid46522/programmes-du-cycle-terminal-de-la-voiegenerale.
html#serie_S%20term
Cours d’université sur la photosynthèse
Banque d’images pédagogiques CRDP Poitou Charente
Banque de schémas du site de l’académie de Dijon, partie consacrée à l’énergétique dont dispositifs et résultats expérimentaux .
Galeries API
Explications sur le métabolisme, photosynthèse et chloroplaste.
Différents expériences sur des mitochondries isolées (site en anglais)
Préparation de mitochondries isolées
www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/spip.php?article199
Protocoles sur l’utilisation du pyruvate par les mitochondries (ExAO)
Utilisation de succinate par les mitochondries (ExAO) et blocage par l’antimycine de la chaine respiratoire.
www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/spip.php?article273
Utilisation des fermentations en agroalimentaire
Les aliments fermentés
Informations sur le bioéthanol
Les travaux de Pasteur
Texte original « Études sur la bière » de Pasteur
Données sur le muscle et la contraction musculaire
Animations et logiciels
Feuille de calcul simulant les expériences consistant
à mettre des substrats ou des bloquants à une préparation de
mitochondries et à observer l'évolution de la teneur en O2 du milieu
afin de retrouver la chaîne respiratoire. L'élève saisit la quantité de
substance à mettre et le moment auquel il la met.
Informations sur les levures, diverses expériences virtuelles
Plugin CHIME
Logiciel RASTOP
Librairie de molécules en 3D
Animations actine – myosine du site de l’académie de Rennes
http://espace-svt.ac-rennes.fr/cartelec/cartelec_lyc/terminale_s/metabolisme/actine-myosine/actinemyosine.htm- Divers (sitographie) :
- TS 2013 – Contraction musculaire : système musculaire (cnrs)
- TS 2013 – Contraction musculaire : mouvements (coproweb)
- TS 2013 – Contraction musculaire : contraction, fibres, énergétique de la contraction (profweb)
- TS 2013 – Contraction musculaire : caractérisation et dosage de l’ATP (D. Pol)
- TS 2013 – Contraction musculaire : la LDH Lactate Deshydrogénase, enzyme de la fermentation lactique (JJ Auclair)
- TS 2013 – « Études sur la bière » de Pasteur (texte original)
- TS 2013 – Les travaux de Pasteur
- TS 2013 – Informations sur le bioéthanol
- TS 2013 – Les aliments fermentés (inra)
- TS 2013 – Utilisation des fermentations en agroalimentaire (Univ. Lyon 1)
- TS 2013 – Protocoles pour l’étude de la fermentation alcoolique (dosage enzymatique, JJ Auclair)
- TS 2013 – Utilisation du succinate par les mitochondries (ExAO) et blocage par l’antimycine de la chaîne respiratoire)
- TS 2013 – Utilisation du Pyruvate par les mitochondries (ExAO, ac. Nantes)
- TS 2013 – Préparation de mitochondries isolées (ac.Lyon)
- TS 2013 – Expériences sur les mitochondries isolées (en anglais, rice.edu)
- TS 2013 – Structure du chloroplaste – (Université de Jussieu)
- TS 2013 – Photosynthèse par les expériences (Université de Jussieu)
- TS 2013 – Métabolisme ( Université de Jussieu)
- TS 2013 – Équipement enzymatique des levures par galeries API (ac. Créteil)
- TS 2013 – Dosage de l’ATP par bioluminescence
- TS 2013 – Protocoles expérimentaux : très nombreux TP à découvrir (Didier Pol)
- TS 2013 – Énergétique (photosynthèse, respiration…) : banque de schémas (ac.Dijon)
- TS 2013 – Photosynthèse : images pédagogiques (CRDP Poitou Charentes)
- TS 2013 – La photosynthèse (Université d'Angers)
- TS 2013 – La photosynthèse (Université de Jussieu) : pour tout comprendre...
- TS 2013 – Énergie et cellule vivante
- TS 2013 – Thème 1 - Spé - : Énergie et cellule vivante
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