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Thme n1 TP n1 : La cellule musculaire et lATP
L'ATP (adnosine-triphosphate) est une molcule riche en nergie qui libre son nergie en
se convertissant en ADP (adnosine-diphosphate).
Structure de lATP :
L'ATP est une molcule constitue d'adnine
lie un ribose qui, lui, est attach une chane
de trois groupements phosphate.
Comment lATP produit de lnergie :
Le mcanisme consiste au transfert d'un
groupement phosphate sur une autre molcule
et l'ATP devient alors l'adnosine-diphopshate (ADP).
Fabrication de lATP :
Mais une cellule possde trs peu d'ATP. Et comme
elle en consomme en permamence, elle doit
constamment en fabriquer (synthtiser) et c'est
notamment la respiration cellulaire qui fournit
l'nergie ncessaire pour la fabrication de l'ATP
en permettant une phosphorylation (addition
d'un phosphate l'ADP).
Rvision Spcialit S.V.T
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Un muscle stri est constitu de cellules musculaires
comportant un important matriel contractile.
Celui-ci se compose de nombreuses myofibrilles,
structures tubulaires allonges d'un diamtre de 1
2 m, constitues de myofilaments (filaments fins
constitus d'actine associs de la tropomyosine et
de la troponine, et filaments pais constitus de myosine).
Ces myofilaments sont disposs selon une organisation
gomtrique en trois dimensions extrmement rigoureuse.
La base de l'organisation des myofibrilles est le sarcomre.
Vus en coupe longitudinale (Figure 1A) des filaments fins
sont attachs de part et d'autre d'un matriel protique
(le disque Z) comprenant en particulier de l'-actinine,
probable protine d'ancrage des filaments d'actine.
Ils sont tous aligns paralllement, faisant face, sans les
toucher, d'autres filaments fins eux-mmes attachs
un autre disque Z. Entre deux disques Z, et dans les espaces
laisss entre les filaments fins, on trouve les filaments pais
constitus par de nombreuses molcules de myosine
attaches.
L'espace entre deux disques Z est appel sarcomre.
Vue en coupe transversale (Figure 1B), l'organisation se rvle
extrmement rgulire avec une disposition pentagonale.
De nombreux sarcomres sont aligns les uns la suite des
autres pour former une myofibrille.
La contraction musculaire correspond un raccourcissement des sarcomres d au
glissement relatif des filaments d'actine et de myosine : les deux disques Z dlimitant un
sarcomre se rapprochent l'un de l'autre. Ce phnomne se produisant simultanment pour
tous les sarcomres de la cellule, il en rsulte un raccourcissement global de la cellule
musculaire selon l'axe longitudinal.
Cellules musculaires stries
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Thme n1 TP n2 : La respiration cellulaire
Nous constatons quavant linjection de glucose, la concentration en O2 dans le milieu varie
trs peu (une lgre baisse due des ractions doxydations imprvisibles dans le milieu) .
Rapidement aprs linjection de glucose, la quantit dO2 dans le milieu diminue. Nous
pouvons donc en dduire que les levures ont consomm du dioxygne, et que cette
consommation de O2 ne peut se faire quen prsence de glucose. 3)- Le mme type
dexprience peut tre ralis en utilisant une sonde CO2 en plus de la sonde O2 : le rsultat
obtenu est reprsent par le graphique ci-contre.
Les mesures donnes par la sonde CO2 indiquent
que paralllement la diminution de O2 dans le
milieu, il se produit une augmentation de la quantit
de CO2. On en dduit que les levures rejettent du CO2
et que ce rejet de CO2 est li la consommation de
O2 et de glucose. 4)- En dduire lquation bilan
des transformations chimiques intervenant au cours
de la respiration cellulaire. En admettant quau cours
de la respiration il y a plus deau produite que deau
consomme, lquation bilan est la suivante :
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O -> 6CO2 + 12H2O
Le rle des mitochondries
La courbe obtenue avec des mitochondries seules ressemble beaucoup celle obtenue en TP avec des cellules
entires. Cependant, il faut constater quici linjection de glucose nentrane pas de diminution brutale du taux de
O2. Donc il ny a pas de respiration et donc les mitochondries sont incapables dutiliser le glucose. Par contre,
linjection de pyruvate ou acide pyruvique au temps t2 entrane la chute du taux de O2 qui signifie que la respiration
se droule. Les mitochondrie sont donc incapables dutiliser le glucose directement mais peuvent utiliser le pyruvate.
On peut donc en dduire que lorsque les cellules sont entires, le glucose subit une transformation en pyruvate, qui
lui sera utilis par les mitochondries.
De plus, cette transformation a lieu forcement en dehors de la mitochondrie, donc dans le hyaloplasme (en fait,
lenveloppe des mitochondries est impermable au glucose mais pas au pyruvate).
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Donc la transformation du glucose en CO2 nest pas directe puisquil y a au moins une tape
intermdiaire, (appele glycolyse). Comme nous allons le voir dans la troisime partie du TP,
la transformation du pyruvate en CO2 comporte elle-mme 2 tapes.
Thme n1 TP n3 : Localisation cellulaire de la respiration
Toutes les cellules ont besoin dnergie pour effectuer des biosynthses, pour alimenter des transports ou encore pour raliser des mouvements cellulaires. Elles utilisent lnergie chimique de molcules quelles prlvent dans lenvironnement ou quelles produisent par photosynthse.
En milieu arobie, les levures respirent "normalement" c'est dire qu'elles dgradent la
matire organique (exemple: le glucose) et utilisent de l'O2 pour aboutir du CO2, de l'eau et
de l'nergie utilisable pour la cellule (en particulier de l'ATP). Ceci se droule pour une
premire phase (la glycolyse) dans le cytoplasme, et ensuite (la respiration en elle-mme)
dans les mitochondries.
En milieu anarobie, des observations au microscope montrent que les mitochondries ne sont
plus fonctionnelles, en particulier leurs crtes ont en partie disparu. En effet cause de
l'absence d'O2 la respiration ne peut plus se faire .
Sans O2 on a donc glycolyse + fermentation (c'est par exemple ce qui se passe pour la
fermentation alcoolique, ou lactique).
La respiration cellulaire est une dgradation complte du glucose en prsence d'oxygne,
permettant une libration totale de son nergie.
Au cours de la deuxime tape, le glucose, servant cette fois d'aliment, est "brl" en
prsence d'oxygne dans les cellules danimaux et des plantes.
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La respiration libre ainsi l'nergie mise en rserve
dans le glucose (lors de la photosynthse). La plus
grande partie de cette nergie est transfre dans
une molcule nergtique utilisable par toutes les
cellules : l'ATP.
Et les dchets de la respiration sont le dioxyde de
carbone et l'eau, qui sont justement les matires
premires de la photosynthse dans les chloroplastes
(= circuit ferm).
Thme n1 TP n4 : Respiration et fermentation chez la levure
Les tapes de la respiration
La glycolyse
La glycolyse signifie "dgradation du glucose".
La glycolyse transforme le glucose en 2 acides
pyruviques et permet la fabrication de 2 ATP.
Pour rappel, la glycolyse a lieu l'extrieur de
la mitochondrie, dans le cytosol (matrice du
cytoplasme).
Le cycle de Krebs
Le cycle de Krebs comprend 8 tapes qui
terminent le travail de la glycolyse en dgradant
un driv de l'acide pyruvique (l'actyl-CoA) en
dioxyde de carbone (CO2) et en produisant de l'ATP.
Le cycle de Krebs a lieu dans la mitochondrie.
La phosphorylation oxydative
La phosphorylation oxydative produit prs de
90% de l'ATP engendre par la respiration.
Il s'agit donc de la production d'ATP par l'ajout
d'un groupement phosphate l'ADP grce
l'nergie libre lors du transport d'lectrons le
long d'une chane de molcules (ractions
d'oxydo-rduction).
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La fermentation
Beaucoup de cellules se passent d'oxygne (O2) pour "brler" leur compos organique. Donc
au lieu de produire de l'ATP au moyen de la respiration, elles utilisent la fermentation.
La fermentation est donc galement une dgradation du glucose mais incomplte
permettant une libration partielle de son nergie sous forme d'ATP. La fermentation libre
galement du CO2.
Contrairement la respiration, la fermentation se fait sans oxygne et sans phosphorylation
oxydative.
Il existe deux types de fermentation :
- la fermentation alcoolique : convertit le pyruvate en thanol
- la fermentation lactique : convertit le pyruvate en lactate. Cette fermentation se produit
dans les muscles la suite dun exercice exigeant.
La fermentation correspond un
processus que lon peut qualifier dincomplet car elle libre des dchets contenant encore de
lnergie utilisable comme lalcool. La respiration est un processus plus
complexe ncessitant en outre de
loxygne. Au cours de la respiration, les molcules organiques sont oxydes
totalement (un peu comme si elles
taient brles) et leur nergie est
rcupre par les cellules. Les dchets
forms sont du dioxyde de carbone et
de leau, molcules dont lnergie potentielle nest pas utilisable par les tres vivants.
On observe que la quantit d'oxygne
baisse faiblement (de 7 5 mg /l)
jusqu'au temps t =5 minutes temps
auquel on injecte du glucose.
Quand on injecte du glucose, la quantit
d'oxygne baisse brutalement pour descendre
0 g/l au temps = 6 minutes.
La quantit de CO2 nulle jusquau temps t= 5 minutes. Entre 5 et 6 minutes, la quantit
de dioxygne augment lgrement, puis a
partir de 6 minute le taux de CO2 augmente
brutalement pour atteindre son maximum;
160 mg /l t =10minutes.
La quantit d'thanol est faible
(environ 0.05 g/L) avec
une lgre hausse jusqu'au temps = 6 minutes. Puis a partir de
6 minutes la concentration
d'thanol grimpe rgulirement
en fonction du temps pour
atteindre 0.6 g/L au temps = 16
minutes.
- Avant 6 minutes : cest la respiration. - Aprs 6 minutes : il n'y a plus d'oxygne et
on voit de l'thanol : cest la fermentation.
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Interprtation
De 0 5 minutes, les levures consomment lgrement de l'oxygne malgr l'absence de
glucose dans le milieu, on peut emmtre l'hypothse qu'elles puisent dans leur rserve a
l'aide l'O2 pour assurer leur mtabolisme;
Au moment o on donne du glucose, la quantit de dioxygne chute dans le milieu alors
que la quantit de CO2 augmente. On peut en dduire que les levures consomment le
glucose l'aide du dioxygne et rejettent du CO2. Ce type de mtabolisme est appel
respiration. (Combustion complte)
A partir de 6 minutes, la quantit d'O2 est nulle c'est alors qu'apparait de l'thanol, cela
signifie que les levures consomment le glucose toujours prsent en absence d'oxygne et
rejettent de l'alcool. Ce type de mtabolisme correspond une fermentation (combustion
incomplte).
Respiration C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
Fermentation C6H12O6 -> 2CO2 + 2C2H5O5
Thme n1 TP n5 : Echanges gazeux et production de matire organique chez les vgtaux
Les vgtaux chlorophylliens ont besoin de lumire, deau, de CO2 et de sel minraux pour se dvelopper.
1- 2- Des cultures
diffrencies de granium Tmoin Feuille avec un cache
Rsultats observables La totalit de la feuille est
colore en brun fonc
Seule la partie de la feuille
place sous le cache nest
pas colore
Interprtations Lamidon est stock dans
lensemble de la feuille Lamidon est absent
lemplacement du cache
Rappel : lamidon est un sucre.
La matire organique est
constitue de 3 types de
molcules : les sucres, les graisses
et les protines.
Leau iode rvle la prsence
damidon dans la feuille de
granium. On remarque quen
absence de lumire et de CO2
cette molcule nest pas
produite par la feuille. On en
dduit que les plantes produisent
des sucres/molcules organiques
partir du CO2 et de la lumire.
Temps en minutes 0 5 minutes 5 15 minutes 15 20
minutes
Nom du gaz produit CO2 O2 CO2
Nom du gaz absorb O2 CO2 O2
Conditions : avec ou sans
lumire
lumire obscurit lumire
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On vient de voir que les plantes consomment du CO2 pour produire des sucres.
On en dduit que la production de matire organique se fait lobscurit et que cette
raction rejette de lO2. Cette raction sappelle la photosynthse.
Un 2 mcanisme se ralise chez les plantes la lumire et lobscurit : la respiration. La
photosynthse est faible le jour.
La partie verte de la feuille est la zone de synthse des molcules organiques.
La couleur verte est due la prsence de chlorophylle. On en dduit que la chlorophylle
participe la synthse de molcule organique. En fait, la chlorophylle capte la lumire et
transforme lnergie de la lumire en nergie utilisable par la feuille. Cette nergie permet la
production de matire organique partir de CO2.
Thme n1 TP n6 : Etude de la photosynthse
L'autotrophie est la capacit produire de la matire
organique partir de la rduction de matire inorganique
et dune source dnergie externe : la lumire. Cette capacit caractrise notamment les vgtaux
chlorophylliens, les cyanobactries et certaines bactries.
La notion dautotrophie soppose celle d'htrotrophie.
L'htrotrophie est la capacit produire de la matire
organique uniquement partir de sources de carbone
organique issu de la biosynthse animale ou vgtale.
Cette capacit caractrise les myctes (champignons)
et les animaux.
La notion dhtrotrophie soppose celle d'autotrophie.
La photosynthse est une raction biochimique nergtique
qui se droule chez les plantes.
Rle de la photosynthse
La photosynthse a pour but de crer de l'nergie (sous forme de glucide) partir de
l'nergie lumineuse provenant du soleil. Les organismes qui utilisent le mcanisme de
photosynthse sont autotrophes car ils fabriquent des matires organiques partir de
matires inorganiques.
Mcanisme de la photosynthse
L'nergie solaire est utilise pour oxyder l'eau et rduire le gaz carbonique afin de synthtiser
des substances organiques (glucides). Ce phnomne a lieu dans les chloroplastes, un
organite spcifique des plantes, au niveau des membranes des thylacodes o se situent les
photosystmes I et II et les cytochromes.
Bilan nergtique de la photosynthse
Il faut six molcules de dioxyde de carbone et six molcules d'eau pour synthtiser une
molcule de glucose, relchant six molcules de dioxygne, grce l'nergie lumineuse.
6 CO2 + 6 H2O + nergie lumineuse C6H12O6 (glucose) + 6 O2
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Mais ce bilan est en fait dcompos en deux tapes successives :
les ractions photochimiques (phase claire) : 12 H2O + lumire 6 O2 + nergie chimique (24 H) ;
le cycle de Calvin (phase sombre) : 6 CO2 + nergie chimique (24 H) C6H12O6 + 6 H2O.
La cellule vgtale
Plusieurs facteurs ont une influence sur la
photosynthse, dont :
La temprature : la photosynthse
est optimale entre 20 et 35 C. Elle
s'arrte sous 0 C en raison du ralentissement
physiologique de la plante qui entrane,
entre autres, la chute des feuilles et une
rduction de l'absorption de l'eau.
La concentration en gaz carbonique (CO2) dans l'air : une atmosphre riche en CO2 favorise
la photosynthse.
L'intensit lumineuse : plus il y a de lumire, plus la chlorophylle en profite. Sous un couvert
nuageux, la photosynthse sera moins leve qu'en plein soleil.
La surface foliaire expose la lumire : chez les feuillus, les feuilles du bas sont souvent plus
grandes et plus minces que les feuilles du haut pour compenser le manque de lumire. Chez
les conifres, les feuilles sont trs petites pour mieux rsister au gel, mais elles sont par contre
trs nombreuses.
La disponibilit en eau dans le sol: La plante doit transpirer pour absorber le gaz carbonique.
Si l'eau se fait rare, la plante rduit sa transpiration et ralentit sa photosynthse.
Rle des chloroplastes :
Le chloroplaste est un organite spcifique des
cellules vgtales, probablement issu dun vnement dendosymbiose dune cyanobactrie par une cellule eucaryote
primitive. Le chloroplaste est en effet spar du
cytoplasme par une double membrane,
deux membranes spares par un espace
intermembranaire.
lintrieur, le chloroplaste est constitu dun empilement de thylacodes, qui baignent dans le
stroma (le liquide intrachloroplastique).
Fonction du chloroplaste
Le chloroplaste est le lieu de la photosynthse.
Elle se droule plus particulirement au niveau
des photosystmes ancrs dans les membranes
des thylacodes. La chlorophylle qui donne une
couleur verte aux vgtaux fait partie des
photosystmes et a pour rle de capter la
lumire du soleil pour la convertir en nergie au
cours de la photosynthse.
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Thme n1 TP n7 : Pigments chlorophylliens et photosynthse
Les vgtaux possdent trois types de pigments photosynthtiques, les chlorophylles et les
carotnodes prsents chez tous les vgtaux autotrophes au carbone, et les phycobilines
prsents exclusivement chez les algues et les cyanobactries. Les chlorophylles et les
carotnodes sont solubles dans des solvants organiques et peuvent donc tre spars
l'aide de solvants ou de mlanges de solvants des lipides. Ces molcules sont dites
liposolubles.
Extraction des pigments bruts :
la feuille est broye dans de l'alcool
absolu ou de l'actone. Les pigments
solubles dans les solvants organiques
sont extraits. Aprs filtration pour liminer
les dbris cellulaires, on obtient une solution
brute de pigments.
Il est alors possible de sparer les diffrents pigments de la solution brute. Une mthode
simple, essentiellement qualitative, peut tre ralise par une chromatographie sur papier.
Chromatographie sur papier :
on dpose une goutte de pigments bruts
sur une feuille de papier. On place la feuille
de papier dans un rcipient hermtique dans
lequel on a plac un solvant appropri. Le
solvant monte dans la feuille par capillarit
en entranant les pigments de manire diffrentielle
selon leur affinit avec le solvant. On peut
distinguer ainsi deux catgories principales
de pigments : les chlorophylles (vertes) et les
carotnodes (jaunes).
Remarque : les pigments extraits ainsi sont purs. Dans la feuille, ils taient associs des
protines dans les thylacodes des chloroplastes.
Les chlorophylles et les carotnodes absorbent certaines radiations dites actives pour la
photosynthse, dans la gamme de longueurs d'onde visibles comprises entre 500 et 700 nm.
A partir d'une solution de pigments, on peut donc mesurer les caractristiques d'absorption
de la lumire en ralisant un spectre d'absorption l'aide d'un spectrophotomtre UV visible
classique, qui permet de mesurer l'absorption (A) en fonction de la longueur d'onde.
Spectre d'absorption des pigments
bruts extraits partir d'une feuille.
L'absorption maximale se ralise dans le
bleu (< 500nm) et dans le rouge
(650-700 nm).
On ne peut dans ce spectre reconnatre la
part qui revient chaque pigment. Pour
cela, il faut travailler sur des solutions de
pigments spars et purifis.