les enzymes des biocatalyseurs

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
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.
Notions et contenus
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...),
Exploitation de logiciels sur les
modifient leur activité.
modèles moléculaires et structures L'activité des enzymes contribue à la réalisation du phénotype.
spatiales de protéines
enzymatiques et du complexe
Limites : l'étude des coenzymes, l'étude de l'allostérie, les lois de la
enzyme-substrat. Simulation de
cinétique enzymatique, ne sont pas au programme.
l'action catalytique d'une enzyme.
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
F.Saintpierre
1
-
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.
F.Saintpierre
2
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
T0
T15
T30
T60
T90
T120
T150
T180
min
(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
F.Saintpierre
3
Verser 1 mL de solution de maxilase dans le tube 2 haut, dans les deux tubes. À gauche en
uniquement.
l'absence de maxilase, à droite en
Préparation de la solution de maxilase : dissoudre l'enveloppe d'un cachet présence de maxilase.
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



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
Hydrolyse
de l’amidon
HCl
amylase
100°C
37°C
Temps nécessaire
pour l’hydrolyse
40mn
qqmn
Concentration du
catalyseur
forte
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
F.Saintpierre
Acide gluconique + H2O2
4
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
F.Saintpierre
5

-
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.
F.Saintpierre
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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
F.Saintpierre
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
F.Saintpierre
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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
Mélanger :
1 mL de filtrat de tubercule de pomme de terre porté 3 minutes à la
température choisie
et
Contenu
5
1 mL de ce
filtrat bien
bouilli dans un
tube à essai
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)
2)
0
glace fondante
22
( T° de la salle )
pH
Exercice
F.Saintpierre
9
40
( bain - marie
sur table)
70
22
( bain - marie au
bureau )

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.
F.Saintpierre
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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
F.Saintpierre
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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.
F.Saintpierre
12
Activités envisageables
Analyse d'un exemple comme la
drépanocytose ou la
phénylcétonurie...Comparaison de
la structure des protéines en
relation avec l'exemple étudié
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.
Notions et contenus
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.
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
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)
Notions et contenus
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.
Dans la tige, la croissance cellulaire est contrôlée par une
hormone : l’auxine
Préparation/obs de cellules
végétales
Mee de la paroi
Mee de la turgescence cellulaire
Obtention de protoplastes
Expériences historiques (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
F.Saintpierre
13
hormones en interaction avec les facteurs de l’environnement
Réalisation et (ou) analyse
d’expériences montrant le rôle de
l’auxine sur la croissance
différentielle entre les deux faces
d’un organe.
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.
Réalisation ou analyse
d’expérience de clonage
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).
F.Saintpierre
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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.
F.Saintpierre
15
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)
F.Saintpierre
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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 sain
Phénotype atteint
Phénotype cellulaire
Phénotype
macroscopique
Hémoglobine dissoute Hématies biconcaves
dans le cytoplasme
Hémoglobine insoluble, Hématies falciformes et Anémie chronique
en forme de fibre rigide peu déformables
accidents viscéraux
et
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 de la structure des hémoglobines
Hémoglobine A
Hémoglobine S
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Comparaison des deux globines
Comparaison
hémoglobines
des
deux
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
F.Saintpierre
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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
4500 à 5500 mm-3
14 à 25 µm
300 à 600 mm-3
7 à 15 µm
600 à 1500 mm-3
Documents
Primo
infectio
n
Concentrations
sanguines
(unités arbitraires)
Phase asymptomatique
Lymphocytes T cytotoxiques tuant les
cellules infectées par le VIH
Anticorps antiVIH
réaction du système immunitaire à l'infection par le VIH
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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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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

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.
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