Progression TS spécialité: diversitéet complémentaritédes métabolismes

Diversité et complémentarité des métabolismes

Exemple de progression ⁽¹⁾

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Problématique	Séquences, concepts	Activités, remarques
Cette partie est très riche en activités pratiques, des choix difficiles seront nécessaires à chaque séance pour "tenir" dans le volume horaire préconisé. Acquis de seconde : l'autotrophie et l'hétérotrophie sont deux grands types de métabolisme des cellules, photosynthèse, respiration, cycle du dioxyde de carbone. Problématique générale : quelles sont les transformations suivies par le carbone au travers de ces deux types de métabolismes et aux différents niveaux d'organisation (du plus grand : l'écosystème au plus petit : la cellule) ? Démarrage : retrouver les acquis de seconde sur le cycle du dioxyde de carbone (en fait le cycle de l'élément carbone); écrire par exemple une liste de mots représentant les localisations successives du carbone.		Structure et fonctionnement d'un écosystème Photoautotrophie pour le carbone Lumière et chlorophylle La phase photochimique de la photosynthèse La phase non-photochimique Le devenir de la matière organique synthétisée Rôle des mitochondries dans la respiration cellulaire La fermentation alcoolique L'ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire [Synthèse]
La répartition initiale des thèmes d'étude dans le projet qui a mené aux programmes actuels plaçait l'immunologie en spécialité et le métabolisme en obligatoire (avec un développement plus important sur les écosystèmes et l'histoire de la vie). Cette répartition était sans doute plus cohérente et plus justifiée que la version finale du programme : liaison avec la physique-chimie pour le métabolisme, liaison avec des études professionnelles médicales pour l'immunologie.
Quelles sont les étapes suivies par le carbone dans un écosystème ?	TD1 Structure et fonctionnement d'un écosystème Les producteurs primaires (autotrophes) utilisent le carbone (oxydé) du dioxyde de carbone pour constituer les chaînes carbonées, base de leurs molécules organiques (carbone réduit). Les autres producteurs (hétérotrophes) déconstruisent des molécules organiques préexistantes pour produire leur propre matière, tout en restituant une quantité importante de dioxyde de carbone à l'atmosphère.	Construction du schéma d'un réseau trophique dans un écosystème précis (-référence possible à la classe sur le terrain-, différents écosystèmes peuvent être étudiés par des groupes différents d'élèves). En disposant de beaucoup de temps, possibilité d'importer un écosystème en classe (ex : le sol). Etude de documents permettant de comprendre la notion d'écosystème en équilibre (ex : exploitation d'une forêt, d'un élevage). Simulations possibles avec le logiciel Stella. Réflexions sur l'importance relative du stockage du carbone réduit et de sa durée. La restitution de CO₂ à l'atmosphère par les producteurs hétérotrophes se comprend en analysant le rendement du processus de production (10% à chaque étape), hors l'étude des flux et des pyramides des biomasses est hors programme.
Que devient le carbone du dioxyde de carbone chez les producteurs primaires ? Quelles sont les structures permettant l'incorporation du dioxyde de carbone ?	TP2 Photoautotrophie pour le carbone Chez les végétaux supérieurs, le dioxyde de carbone de l'air pénètre dans les feuilles par les stomates et atteint les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, lieu de son incorporation dans les matières organiques produites. Ces cellules sont approvisionnées en eau et en sels minéraux par la sève brute et peuvent exporter leur production par la sève élaborée. La chlorophylle est un des constituants fondamentaux du chloroplaste.	Expérience montrant la nécessité de CO₂, de chlorophylle (et de lumière) pour la production de matière organique. Analyse de document (autoradiographie de plante supérieure) -> incorporation de ¹⁴C au niveau des feuilles -> recherche du lieu d'absorption du CO₂ -> réalisation d'empreintes d'épiderme, observation d'épiderme de feuille et de coupe de feuille. Analyse de document montrant que le carbone du CO₂ se retrouve dans le chloroplaste, électronographie de chloroplaste. Construction d'un schéma fonctionnel de la feuille. La simulation de la croissance d'une plante verte de F. Tilquin www.ac-grenoble.fr/svt/old_site/worksbio/fact_lim.htm permet d'analyser l'influence de divers paramètres (eau, lumière, dioxyde de carbone, etc.); cependant la notion de facteur limitant est hors programme.
Quel est le rôle de la chlorophylle ? Hypothèse : capte l'énergie lumineuse nécessaire à la réduction du carbone.	TP3 Lumière et chlorophylle Il existe une relation directe entre absorption des photons par les pigments et photosynthèse : ce sont des pigments photosynthétiques.	Séparation par chromatographie des pigments foliaires. Etude de spectres d'absorption de pigments foliaires. Comparaison du spectre d'absorption avec le spectre d'action d'un végétal chlorophyllien (le recueil des données du spectre d'action a déjà été réalisé en seconde : production de dioxygène par une plante verte en fonction de la longueur d'inde de la lumière).
Le dioxygène vient-il du dioxyde de carbone ou de l'eau (posé à partir des acquis de seconde) ? Si l'O₂ vient de l'H₂O, que devient l'H ? Hypothèse : nécessité d'un accepteur.	TP 4 La phase photochimique de la photosynthèse La phase photochimique se déroule dans les tylakoïdes. Grâce à la collecte des photons par les pigments, un ensemble d'oxydo-réductions permet l'oxydation de l'eau, la production de dioxygène, de composés intermédiaires RH₂ et ATP.	Analyse de document (expérience de Ruben et Kamen); équation bilan de la photosynthèse. Réaction de Hill (protocole justifié par la présence de chlorophylle dans les chloroplastes et la dilution ou l'épuisement des accepteurs naturels dans les chloroplastes brisés) avec du ferricyanure de potassium ou mieux avec du DCPIP : expérience basée sur le changement de couleur du DCPIP + oxymétrie par ExAO (le protocole hors ExAO peut-être conçu par les élèves). Apport théorique complémentaire sur la production d'ATP. Construction de la première partie d'un schéma fonctionnel du chloroplaste. Les réactions complémentaires à celles produisant de l'ATP ou des composés réduits RH₂ ne sont abordées que la semaine suivante. Le couplage oxydo-réductions/synthèse d'ATP dépend de l'accumulation de protons dans les tylacoïdes qui est hors programme.
Quel est le devenir de l'ATP et de RH₂ ? Hypothèse : ils sont utilisés pour réduire le dioxyde de carbone qui va constituer la matière organique.	TD 5 La phase non-photochimique de la photosynthèse La phase non-photochimique se déroule dans le stroma. Le dioxyde de carbone est réduit en utilisant un accepteur, l'ATP et les composés RH₂ produits lors de la phase photochimique. Ainsi, la photosynthèse résulte du couplage de deux processus complémentaires.	Analyse de documents : conditions de fixation du CO₂ (expérience d'Arnon); étapes des voies chimiques permettant l'incorporation du CO₂ (expérience de Calvin). Construction de la deuxième partie du schéma fonctionnel du chloroplaste (mise en relation avec la phase photochimique).
Que devient la matière organique synthétisée ?	TP 6 Le devenir de la matière organique synthétisée dans les chloroplastes Les composés glucidiques formés par la réduction du dioxyde de carbone sont exportés hors du chloroplaste vers le cytoplasme des cellules chlorophylliennes; ils sont temporairement stockés dans le chloroplaste sous forme d'amidon. Le saccharose des cellules foliaires est majoritairement exporté hors des feuilles vers d'autres lieux d'utilisation tels que les cellules des zones en croissance et celles des zones de stockage de réserves (graines et organes de réserve, parties pérennes de la plante, paroi cellulosique et bois).	Analyse de documents : autoradiographie de plante supérieure, électronographies de chloroplastes (amidon). Analyse de documents : marquage de substances autres que les glucides (acides aminés, etc.). Mise en évidence des réserves par coloration ou tests chimiques. Chromatographie de sève élaborée, de jus de fruit.
Comment les cellules non chlorophylliennes (cellules hétérotrophes) produisent-elles de l'ATP ? Comment l'ATP est-il synthétisé hors des chloroplastes ? Pourquoi les cultures de Levure ont-elles un rendement plus important en conditions aérobies qu'anaérobies ?	TP 7 Rôle des mitochondries dans la respiration cellulaire La première étape de la respiration cellulaire oxyde le glucose en pyruvate dans le hyaloplasme, elle s'accompagne de la production de composés RH₂ et d'ATP. La deuxième étape se déroule dans la matrice de la mitochondrie. C'est une série de décarboxylations oxydatives, à partir du pyruvate, qui produit du dioxyde de carbone, des composés RH₂ et de l'ATP. La troisième étape se déroule dans les crêtes de la membrane interne de la mitochondrie. Elle oxyde les composés réduits RH₂ obtenus précédemment et s'accompagne de la production d'une quantité importante d'ATP.	Analyse de documents sur les cultures de Levures en milieu aérobie et anaérobie; observation d'électronographies de Levures cultivées dans ces conditions. Etude de la respiration cellulaire par ExAO. Etude d'électronographies de mitochondries. Etude de l'influence de divers substrats sur la respiration mitochondriale par ExAO (?); simulation de F. Tilquin sur le même thème. Etude de documents montrant l'importance de la glycolyse dans le catabolisme des glucides. Apport théorique complémentaire sur la production d'ATP. Construction d'un schéma fonctionnel de la mitochondrie. La respiration cellulaire de Levures est facile à étudier par ExAO, toutefois l'expérimentation a déjà été réalisée en seconde. Cette expérience peut être remplacée ou complétée par l'étude de la respiration mitochondriale si on parvient à se procurer une suspension purifiée de mitochondries.
Comment les cellules peuvent-elles vivre sans dioxygène (en produisant de l'ATP) ?	TP 8 Respiration et fermentation La fermentation réalise une oxydation incomplète des substrats organiques; elle permet une vie sans dioxygène au prix d'une utilisation moins efficace des substrats organiques.	Etude de la fermentation alcoolique par ExAO. Apport théorique complémentaire sur la production d'ATP. Construction d'un schéma fonctionnel du métabolisme énergétique d'une celluleen fermentation (exemple : Levure).
Quelles sont les diverses utilisations de l'ATP (autres que la synthèse de glucides dans les chloroplastes) ?	TP 9 et 10 L'ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire Les activités des cellules animales et végétales se traduisent par des synthèses chimiques (protéines en particulier)à partir de molécules organiques préexistantes, et par des mouvements. Toutes ces activités consomment des intermédiaires métaboliques en particulier de l'ATP. L'ATP n'est pas stocké, mais régénéré aussi vite qu'il est détruit. La cellule eucaryote est formée de compartiments dans lesquels se déroulent des réactions métaboliques particulières catalysées par des enzymes spécifiques. La mitochondrie et le chloroplaste proviennent probablement de bactéries qu'une cellule hôte ancestrale aurait adoptées comme endosymbiotes. Le noyau, par l'information génétique qu'il contient, dirige la synthèse des protéines, et donc des enzymes nécessaires au métabolisme de la cellule.	Observation de mouvements de cyclose (Characées, Elodée www.microscopy-uk.org.uk/mag/artnov00/dwelodea.html), de déplacements de cellules flagellées (ex : Euglènes). Analyse d'électronographies (cellules musculaires), de documents montrant que les mouvements dépendent de l'ATP (en particulier les mouvements des myofibrilles). Etude de documents montrant que les synthèses chimiques dépendent de l' ATP. Construction d'un schéma fonctionnel des transformations de matière et d'énergie réalisés par une cellule eucaryote (même les cellules chlorophylliennes respirent !). «Le flux d'énergie au travers du vivant n'est pas l'objectif central de cette partie du programme»; la notion d'énergie «est abordée globalement»⁽²⁾. On peut utiliser les termes de réaction spontanée et de réaction forcée. Compte tenu de sa toxicité, l'utilisation de l'acide cyanhydrique est formellement déconseillée.

Références

(1) d'après un travail réalisé pour les journées d'animation sur les nouveaux programmes (Amet M. Bernard J.-R. Racine M.). Ce document tient compte des modifications apportées en 2002-2003 après test en conditions réelles. Les fichiers "de secours" .lab sont des fichiers pour l'application Généris 3. Les références au manuel élève concernent Perilleux E. et coll. 2002. Sciences de la vie et de la Terre, terminale S spécialité. Nathan, Paris. Certaines illustrations sont absentes des documents mis en ligne pour des raisons de copyright.
(2) Commentaires. www.eduscol.education.fr/D0018/

Prat R.. 1994. L'expérimentation en physiologie végétale. Hermann, Paris.
Boitard E. Faure B. Faure Y. Venaut A. 1991. Bioénergétique. Hachette, collection Synapses, Paris.

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