EXAMEN DE BIOLOGIE

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Jean-Olivier Irisson
EXAMEN DE BIOLOGIE
La concision, la qualité de l'expression et de l'orthographe des réponses seront particulièrement appréciées. L'atten­
tion portée aux schémas et dessins ainsi que le respect des conventions de représentation vues en TD seront égale­
ment notées. Ces critères comptent pour 10 points sur 100. Le raisonnement permettant d'arriver à chaque réponse a
le même poids au niveau de la note que la réponse elle-même.
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Exercice 1: La cellule
Dans le cadre ci-dessous, faites un dessin d'observation légendé de la photographie de la Figure 1.1. En vous aidant
de vos connaissances sur la taille des différents organites, vous inclurez une échelle approximative.
10
De quel(s) grand(s) type(s) de cellule s'agit-il? Justifiez votre réponse.
2
C'est une cellule eucaryote végétale. En effet elle possède un noyau délimité par une membrane nucléaire et des chloroplastes.
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Figure 1.1: Micrographie de cellule
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Exercice 2: L'ADN
Des chercheurs ont découvert qu’une bactérie, Bacillus thuringiensis, synthétise une protéine toxique pour les chenilles
de papillon. Ces chenilles causent des dégâts aux cultures. Le gène responsable de la synthèse de cette protéine
toxique a été isolé et introduit dans les cellules de tabac en culture. Celles-ci ont régénéré des plantes entières possé­
dant le gène fonctionnel. Ce gène leur confère une protection contre les chenilles.
Une partie de la séquence codante de ce gène est représentée ci-dessous.
...T T T A G A G T A A G A G C A C A A...
En vous souvenant des caractéristiques de la molécule d'ADN, reconstituez-une molécule complète à partir du brin
donné.
2
TTTAGAGTAAGAGCACAA
AAATCTCATTCTCGTGTT
Comment appelle-t-on chacun des éléments représentés par une lettre dans la séquence d’ADN?
1
Une base azotée.
Définissez le terme transgenèse.
2
transgenèse:transfert d'un fragment d'ADN « étranger » dans une cellule, modifiant ainsi le patrimoine génétique de cette cellule.
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Expliquez pourquoi les nouveaux plants de tabac sont protégés contre les chenilles.
2
Le fragment d'ADN transféré depuis la bactérie Bacillus thuringensis est capable de s'exprimer dans les cellules des plants de
tabac. Ainsi ils produisent la protéine toxique pour les chenilles qui ne peuvent les attaquer.
Quelle propriété fondamentale du code génétique est ici mise en évidence?
4
Le code génétique est universel car une séquence d'ADN de bactérie peut s'exprimer dans une plante.
Donnez la définition des termes transcription et traduction.
2
transcription: transfert de l'information génétique correspondant à un gène à une chaîne nucléotidique simple brin, l'ARN.
traduction: synthèse protéique à partir de l'information des ARNm, au niveau des ribosomes assemblés en polysomes.
Transcrivez le brin d'ADN donné.
1
AAAUCUCAUUCUCGUGUU
A l'aide du code génétique fourni, traduisez cette
séquence en considérant que le premier codon
commence au début de la séquence.
2
Lys Ser His Ser Arg Val
Figure 2.1: Code génétique
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Exercice 3: La transmission synaptique dans la moelle épinière
Dans la moelle épinière, les neurones sensitifs arrivent par la
racine dorsale et les neurones moteurs partent par la racine
ventrale. Afin de comprendre les relations entre ces neu­
rones au sein de la moelle épinière, le dispositif ci-contre est
mis en place.
Une électrode stimulatrice est placée sur la racine dorsale.
Ses stimulations miment la réception d'un message sensitif.
Une électrode d'enregistrement (E1) est placée directement
après cette électrode stimulatrice. Une autre électrode d'en­
registrement (E2) est placée sur la racine ventrale, après le
passage dans la moelle épinière.
On stimule la racine dorsale avec des stimulations d'intensité
croissante (de i1 a i4) et on enregistre les réponses en E1 et
E2. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant.
Figure 3.1: Dispositif expérimental
Comparez les réponses du neurone sensitif et du neurone moteur pour i1, i2, i3 et i4. Précisez comment se nomme la
réponse enregistrée en E2 pour i2, i3 et i4 et définissez ses caractéristiques.
3
Pour i1 on observe une faible réponse en E1 (faible stimulation) et pas de réponse en E2.
Pour i2 la stimulation augmente en intensité et on observe dans ce cas une réponse en E2.
Pour i3, malgré l'augmentation en intensité de la stimulation, la réponse est identique en E2.
Pour i4 l'intensité de la stimulation augmente encore. Dans ce cas on observe deux pics de réponse en E2.
La réponse du neurone moteur est d'intensité identique quelle que soit l'intensité de stimulation. Il s'agit d'un potentiel d'action
qui répond à la loi du tout ou rien.
Quelle est la structure qui relie les neurones sensitifs et les neurones moteurs au niveau de la moelle épinière?
1
Une synapse.
En comparant i3 et i4, dites quelle propriété de la conduction du message au niveau de cette structure est mise en évi­
dence.
3
Entre i3 et i4, l'intensité de la stimulation augmente. Cela ne se traduit pas par une augmentation de l'intensité du message en
E2 mais par une augmentation de sa fréquence. Au niveau de la synapse on observe que l'intensité du message est convertie en
fréquence de potentiels d'action. Le message de l'intensité de la stimulation est donc conservé
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mais sous une autre forme
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Pour expliquer les différentes réponses du motoneurone on
réalise un dosage du neurotransmetteur (=neuromédiateur)
présent dans la fente synaptique entre les neurones sensitifs
et moteurs en fonction de l'intensité de la stimulation. Les
résultats sont présentés dans la Figure 3.2. Expliquez le phé­
nomène de transduction synaptique en utilisant ce graphique
et vos connaissances.
5
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Au niveau de la synapse, le neurotransmetteur est sécrété en réponse
à une stimulation du neurone pré-synaptique. La sécrétion se fait
par exocytose de vésicules remplies de neurotransmetteur. Le gra­
phique nous montre que la quantité de neurotransmetteur sécrétée
est proportionnelle à l'intensité de la stimulation. Ensuite ce neuro­
transmetteur se fixe sur les récepteurs du neurone post-synaptique. Figure 3.2: Quantité de neuromédiateur libéré dans la
La fixation du neurotransmetteur entraîne la stimulation du neu­ fente synaptique en fonction de l'intensité dela stimu­
rone post-synaptique. Si l'intensité de stimulation est suffisante ceci
lation
génère un train de potentiels d'action de fréquence proportionnelle à
l'intensité de stimulation.
Exercice 4: Effets de l’altitude sur la composition du sang
Le Tableau 4.1 présente les résultat d'analyses de sang faites sur des habitants du Pérou. Un groupe vit depuis long­
temps à Lima, proche de la mer, et un autre vit depuis longtemps à Morococha, une ville en haute altitude. Les hé­
maties sont les globules rouges.
Lima (450 m)
Morococha (4540 m)
4 850 000
6 400 000
Quantité d'hémoglobine pour 100 mL de sang
15,4 g
20,1 g
Quantité totale de sang dans le corps
4,8 L
5,7 L
Hématocrite (= % du volume occupé par les hématies dans le sang)
43 %
56 %
Nombre moyen d'hématies par mm3 de sang
Tableau 4.1: Résultat d'analyses de sang faites sur des habitants du Pérou
Quel est l'effet de l'altitude sur la composition du sang? (répondez de façon quantitative).
2
Pour les individus habitant en altitude, le nombre moyen d'hématies par mm 3 de sang est supérieur d'un peu moins d'un tiers à
celui des individus habitant à Lima. En conséquence leur hématocrite est également supérieur à celui des individus habitant en
plus basse altitude. Le même rapport est vrai pour la quantité d'hémoglobine dans 100 mL de sang. La quantité totale de sang
dans le corps est également plus importante, d'environ 20%.
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La pression de l'air diminue en altitude. Or les échanges gazeux au niveau des poumons (et notamment les échanges
de dioxygène) se font par différence de pression, entre la pression de l'air dans les poumons (=la pression extérieure)
et la pression des gaz dissous dans le sang. Sachant que les hématies servent au transport du dioxygène vers les or­
ganes, expliquez en quoi les observations de la question précédente dénotent une adaptation de l'organisme à l'alti­
tude.
3
Comme la pression de l'air diminue en altitude, la pression de dioxygène diminue aussi. Étant donné que les échanges pulmo­
naires se font par différence de pression, la quantité de dioxygène qui passe dans le sang est plus faible et l'approvisionnement des
organes peut être problématique. Face à cela, l'augmentation du volume de sang et du nombre de globules rouges (responsables du
transport du dioxygène) paraît être un moyen de combler ce manque.
Il n'est pas rare que des sportifs de haut niveau fassent un séjour en altitude pour améliorer leurs performances. Les
résultats du Tableau 4.2 ont été relevés chez plusieurs athlètes. Ils permettent de remarquer l'effet d'un séjour à une
altitude de 2300 m.
Distance parcourue
Demi-mile (804 m)
Mile (1608 m)
Deux miles (3216 m)
Au niveau de la mer
2’41
6’07
13’08
En altitude au bout de : 3 jours
2’48
6’30
13’45
14 jours
2’38
6’18
13’09
21 jours
2’37
6’15
13’07
Retour au niveau de la 1 jour
mer, après :
21 jours
2’32
5’49
12’22
2’32
5’38
11’57
Tableau 4.2: Résultats d'épreuves de course à pied avant, pendant et après un entraînement à une altitude de 2300 m.
Pourquoi les performances sont-elles moins bonnes au au début du séjour en altitude qu'au niveau de la mer?
2
Le dioxygène est moins disponible et les muscles, moins bien alimentés, ne peuvent fournir leur effort maximal.
Pourquoi les performances s'améliorent-elles ensuite en altitude?
3
L'organisme s'adapte à l'altitude, le nombre d'hématies et le volume sanguin augmentent, le déficit en dioxygène est donc compen­
sé et les performances s'améliorent.
Commentez et expliquez ce qui se passe lors du retour au niveau de la mer.
3
Au début du retour au niveau de la mer, les performances sont meilleures qu'en altitude. Ceci est probablement du au fait que
l'oxygène est plus disponible qu'en altitude. Les performances sont également meilleures qu'avant au niveau de la mer. Cela est
expliqué par le fait que l'organisme présente encore les adaptations à l'altitude et que l'apport en dioxygène est facilité par rap­
port au premier chrono au niveau de la mer.
Au 21ème jour au niveau de la mer, les performances sont globalement maintenues: l'effet de l'adaptation de l'organisme à l'alti­
tude se fait toujours sentir. Elles sont même un peu améliorées pour les longues distances. Nous pouvons interpréter cela comme
un effet de l'entraînement.
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La substance à l'origine de l'augmentation du nombre d'hématies dans le sang en altitude se nomme erythropoïétine
ou EPO. Cette substance est également connue comme étant un agent dopant, assez répandu dans le monde du cy­
clisme par exemple. Au vu des résultats précédents, expliquez pourquoi la prise d'EPO est un dopage.
2
15m
L'EPO augmente l'hématocrite et nous avons pu remarquer que cela permettait une amélioration des performances sportives. La
prise d'EPO est donc une façon artificielle d'augmenter les performances: un dopage.
Exercice 5: Construire un arbre phylogénétique de Vertébrés
Un arbre phylogénétique permet de représenter les parentés entre espèces, chaque ramification correspondant à un
ancêtre commun. Il se construit à partir des caractères que partagent ces espèces. Dans le tableau est précisée
l'absence (0) ou la présence (1) de caractères chez quatre espèces de Vertébrés.
Homme
Truite
Pigeon
Chauve-Souris
1-Amnios
1
0
1
1
2-Poils
1
0
0
1
3-Vertèbres
1
1
1
1
4-Ailes
0
0
1
1
5-Mamelles
1
0
0
1
Placez les apparitions et les disparitions éventuelles de caractères sur les deux arbres phylogénétiques suivants. Quel
critère utilisez vous pour placer les caractères?
3
1
Le critère utilisé est la règle de parcimonie.
Quel est l'arbre phylogénétique le plus probable en vertu de ce critère. Justifiez.
2
L'arbre le plus parcimonieux est celui de gauche car c'est celui qui entraîne le moins d'évènements évolutifs (apparition ou dispa­
rition de caractères).
Sur cet arbre, placez, avec une couleur différente le premier animal à mamelles apparu sur Terre. Justifiez.
1
Le premier animal à mamelles est placé au niveau de l'apparition du caractère mamelles
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Exercice 6: L'innovation génétique
Le Tableau a de la Figure 6.1 compare les séquences en acides aminés de l'homéodomaine des protéines codées par
les gènes homéotiques.
La partie supérieure du tableau (de Ant-p à Dfd) compare entre elles des protéines homéotiques de Drosophile (une
petite mouche). La séquence complète de Ant-p est écrite, ensuite seules les différences sont mentionnées.
La partie inférieure du Tableau (de Hoxb-6 à Hoxc-6) compare de la même façon des protéines homéotiques de
Souris.
Le Document b de la Figure 6.1 présente une cartographie des gènes homéotiques de Drosophile et de Souris. Les
groupes Hox-A, B, C et D sont assez similaires mais présents sur des chromosomes différents. Les gènes de couleur
identique sont des gènes proches au niveau de leur séquence. Par exemple la séquence de lab chez la Drosophile est
proche de celles de a1, b1 et d1 chez la Souris.
Figure 6.1: Innovation génétique dans la famille des gènes homéotiques.
Quelle est la caractéristique remarquable des gènes homéotiques lors de leur expression?
2
Ces gènes sont exprimés le long de l'axe antéro-postérieur dans l'ordre dans lequel ils se trouvent sur les chromosomes. C'est la
règle de colinéarité.
Quel est le mode d'action des protéines homéotiques? Quelle est la fonction de l'homéodomaine dans leur action?
4
Les protéines homéotiques sont des facteurs de transcription: elles se fixent sur l'ADN et activent ou inhibent la transcription
des gènes qui suivent leur site de fixation. L'homéodomain est primordial dans ce mode d'action étant donné que c'est par lui
que les homéoprotéines se fixent à l'ADN.
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À partir de l'analyse des documents et de vos connaissances, expliquez comment fonctionne l'innovation génétique à
l'origine de la diversification et de la complexification du génome.
6
En premier lieu, nous pouvons observer que les séquences des homéodomaines des protéines de Drosophile ou de Souris sont très
similaires. Cela indique qu'elles dérivent probablement toutes d'une séquence ancestrale. Il y avait donc un gène à l'origine des
gènes du complexe homéotique. Celui-ci s'est dupliqué et les copies ont accumulées des mutations. Tant qu'il reste une copie fonc­
tionnelle, les autres copies peuvent accumuler des mutations jusqu'à changer de fonction.
Chez la Souris, les choses sont encore un peu plus complexes: il semble y avoir de plus nombreux événements de duplication et,
en plus, des événements de copie simultanée de plusieurs gènes du complexe homéotique d'un chromosome vers un autre.
Les principe de l'innovation génétique sont donc la duplication d'un gène puis l'accumulation aléatoire de mutations dans les co­
pies ainsi générées. Ces mutations peuvent avoir pour effet de détruire le gène en le rendant intraduisible (pseudo-gène) ou de lui
conférer une nouvelle fonction, bénéfique ou néfaste pour l'organisme.
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