ESD 2010 - ESPE Toulouse

AGREGATION BLANCHE CONCOURS INTERNE ET CAER (Toulouse)
COMPOSITION À PARTIR D’UN DOSSIER
Durée : 5 heures
L’usage de tout ouvrage de référence, de tout dictionnaire et de tout matériel électronique est
rigoureusement interdit.
La respiration
L'invention de la physiologie respiratoire est tout d'abord le fait de chimistes qui, dès le XVIIIème siècle,
s'attachent à caractériser les gaz atmosphériques. C'est ainsi que, grâce à Lavoisier, « l'air
déphlogistiqué » devient l'oxygène. Au XIXème siècle et dans la première moitié du XXème siècle, les
avancées de cette jeune discipline seront indissociables des progrès techniques qui fourniront à
d'éminents savants (F Bert, H. A. Krebs, etc.) des appareillages de plus en plus sophistiqués pour
caractériser les échanges gazeux respiratoires, tout d'abord à l'échelle de l'organisme entier puis à celle
de la cellule. Cette même période verra également progresser la compréhension des mécanismes
nerveux qui, à chaque instant, contrôlent le rythme et l'intensité des cycles inspiration / expiration et
permettent d'adapter la ventilation pulmonaire aux conditions dans lesquelles l'organisme évolue.
« L’invention de la physiologie 100 expériences historiques » Rémi Cadet
QUESTION 1 : (8 points)
On entend par respiration l’ensemble des processus assurant l’apport d’O2 aux cellules, l’élimination du
CO2 vers le milieu extérieur ainsi que les mécanismes intracellulaires de l’utilisation de l’O2 et de la
production du CO2 à des fins énergétiques.
Montrez comment, au collège et au lycée, se construisent progressivement les différents aspects
de la respiration. Pour chacune des parties de programme concernées, vous indiquerez les documents
du dossier que vous utiliseriez, tels quels ou modifiés. Vous rédigerez le contenu notionnel apporté par
chacun d’eux, tel qu’il pourrait figurer dans la trace écrite des élèves.
QUESTION 2 : (8 points)
Dans le cadre du programme 5ème, vous proposerez une séance de travaux pratiques
permettant d’établir l’unité de la respiration.
Vous préciserez l’organisation de la séance et vous prévoirez, dans cette séance, des aides pour
différencier le travail dans la classe. Vous indiquerez les critères de réussite et les productions
attendues.
QUESTION 3 : (4 points)
A partir des documents de votre choix, vous élaborerez une évaluation sommative correspondant à
l’évaluation des capacités expérimentales du baccalauréat S portant sur le processus
respiratoire.
Vous proposerez une grille d’évaluation adaptée accompagnée de son barème.
1
Documents du dossier
Certains documents fournis sont issus de manuels scolaires dont le niveau est précisé. Les candidats
sont libres d’exploiter ces documents pour travailler à un autre niveau que celui indiqué et d’apporter
éventuellement les modifications ou compléments qu’ils jugeront nécessaires.
Chaque document peut, si on le souhaite, être utilisé pour répondre à plusieurs questions.
Document 1 : relation entre rythme cardiaque, rythme respiratoire et consommation en
dioxygène
page 3/11
Document 2 : la quantification du métabolisme
page 3/11
Document 3 : les échanges gazeux d’un organisme vivant
page 4/11
Document 4 : les risques du tabagisme
page 4-5/11
Document 5 : l’appareil respiratoire
page 5/11
Document 6 : la détermination de VO2max et de la PMA chez un sportif
page 6/11
Document 7 : le dégagement de chaleur
page 6/11
Document 8 : la respiration d’un organe
page 7/11
Document 9 : des exemples d’appareils respiratoires
page 7/11
Document 10 : le contrôle de la respiration
page 8/11
Document 11: la respiration des mitochondries isolées
page 9/11
Document 12 : tableau issu de l’analyse biochimique de cellules
page 9/11
Document 13 : étude expérimentale de la glycolyse
page 10/11
Document 14 : les réserves en glycogènes du muscles
page 11/11
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Document 1 : Relation entre rythme cardiaque, rythme respiratoire et consommation en
dioxygène
Enregistrement réalisé par ExAO (matériel ORPHY) : variation des fréquences cardiaques et
respiratoires en fonction de l’effort physique (ici 20 flexions en 30 secondes à partir de la 30ème
seconde de l’enregistrement)
Rappel des légendes indiquées
Courbe rouge du haut : rythme cardiaque exprimé en battements par minute
Courbe bleue du milieu : quantité d’air échangée en litres par seconde
Courbe verte du bas : quantité de dioxygène consommée (courbe cumulative)
Base de temps en abscisse exprimée en secondes (entre 0 et 100 secondes)
Le début et la fin de l’effort sont indiqués au dessus de la courbe rouge et surlignés en jaune.
Source : Site académique de Besançon
(http://artic.ac-besancon.fr/svt/env_san/edu_san/cardio/consO2/conso.htm )
Document 2 : la quantification du métabolisme (Bordas 2nd)
3
Document 3 : les échanges gazeux d’un organisme vivant (hatier 5ème)
Enregistrement EXAO du dioxygène présent
dans l'enceinte contenant des vers de terre.
Enregistrement Ex.A.O. du C02 présent dans
l'enceinte contenant des vers de terre
Enregistrement EXAO du dioxygène présent
dans l'enceinte contenant des radis.
Enregistrement Ex.A.O. du CO2 présent dans
l’enceinte contenant des radis.
Enregistrement EXAO de la teneur en dioxygène et en dioxyde de carbone dissous dans la
solution nutritive où vivent des levures.
Document 4 : Les risques du tabagisme
L’exposition passive à la fumée du tabac est la cause d’un risque de cancer des poumons chez la personne
exposée.
a- Lien entre parents fumeurs et infections pulmonaires
Parents
Infections pulmonaires des enfants en %
2 non fumeurs
7,6
1 fumeur et 1 non fumeur
10,4
2 fumeurs
15,3
4
b- Aspect du tissu pulmonaire chez un fumeur et un non fumeur
Document 5 : L’appareil respiratoire
5
Document 6 : La détermination de VO2max et de la PMA chez un sportif (modifié, d’après document
INSERM 858)
arrêt du test
5000
V O 2 co nsom m é (m L/m in)
V C O 2 produ it (m L/m in)
La VO2max est une valeur limite. C’est le
volume maximal d’O2 que l’organisme
peut délivrer aux muscles en un temps
donné. Elle renseigne sur la capacité
maximale des muscles à utiliser les
mécanismes respiratoires pour subvenir
à leurs besoins énergétiques. Elle
s’exprime généralement en mL d’O2
consommé par kg et par minute ou en
mL d’O2 consommé par minute. C’est en
réalité un débit, mais par commodité, on
garde le terme de “volume”.
Au-delà de cette limite, l’augmentation
des besoins peut être couverte par
d’autres
mécanismes
producteurs
d’énergie tels que la fermentation
lactique (anaérobie).
début
d’hyperventilation
4000
3000
2000
260 W
230 W
200 W
1000
180 W
p u is s a n c e
d é v e lo p p é e
150 W
130 W
110 W
0
0
5
Tem ps (m in)
10
15
20
25
30
Document 7 : Le dégagement de chaleur (bordas 5ème )
L'imagerie thermique, également appelée thermographie, est une technique médicale qui permet de visualiser de
petites variations de la température des différentes parties du corps.
Sur une image thermique, les couleurs correspondent au dégagement de chaleur :
L'image ci-dessous est une thermographie d'un sujet qui soulève des poids avec ses bras dans une salle de
musculation.
6
Document 8 : la respiration d’un organe (Bordas 5ème )
Protocole et exemple de résultats: Utiliser un dispositif d'ExAO avec une sonde mesurant la teneur en
dioxygène et une autre sonde mesurant la teneur en dioxyde de carbone.
• Placer dans l'enceinte un morceau de muscle frais, encore « vivant » (chair de poisson par exemple)
puis remplir l'enceinte avec du sérum physiologique.
• Mesurer la concentration en dioxygène et en dioxyde de carbone de ce milieu pendant 5 minutes.
• Refaire la manipulation sans le muscle.
Document 9 : Des exemples d’appareils respiratoires
Trachées d’insectes au
microscope X40
http://www.labosvt.com
Branchies de poisson
http://www.labosvt.com
Poumons de grenouilles
http://www.clg-aubrac.ac-aixmarseille.fr
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Document 10 Le contrôle de la respiration (« L’invention de la physiologie 100 expériences historiques » Rémi
Cadet
Les nerfs pneumogastriques sont des nerfs mixtes, c'est-à-dire qu'ils comportent à la fois des fibres
motrices - qui conduisent l'influx nerveux depuis les centres nerveux jusqu'à la périphérie de l'organisme - et
des fibres sensitives. Le contrôle de la ventilation pulmonaire met en jeu le nerf vague en tant que nerf
sensitif, et repose sur des neurones dont le corps cellulaire est situé au niveau des ganglions cervicaux
inférieur et supérieur. Les prolongements périphériques de ces neurones sont issus, soit de récepteurs à
l'étirement localisés dans les muscles lisses des bronches terminales, soit de récepteurs sensibles à la
pression partielle en dioxygène dans le sang, les chémorécepteurs de la crosse aortique (figure). Les
prolongements centraux de ces neurones font synapse avec les neurones des centres respiratoires du
bulbe rachidien et forment avec eux des réseaux neuronaux complexes. La distension des bronchioles
augmente la fréquence des potentiels d'action dans certaines fibres sensitives du nerf pneumogastrique et
induit, par le biais d'une voie motrice empruntant les nerfs phréniques, une inhibition de l'inspiration. Dans le
sang, l'augmentation de la pression partielle en dioxyde de carbone ou la diminution de la pression partielle
en dioxygène augmente la décharge d'autres fibres sensitives du nerf pneumogastrique et induit, par la
même voie motrice, une accélération du rythme respiratoire.
Implication des nerfs pneumogastriques dans le contrôle de la ventilation pulmonaire.
Les neurones sensitifs sont des neurones pseudo-unipolaires, c'est-à-dire dont l'axone est situé de part et
d'autre du corps cellulaire. Les prolongements périphériques et centraux sont donc tous deux des axones.
Les dendrites sont situées directement sur la partie périphérique de l'axone et entrent en contact avec les
récepteurs à l'étirement ou les chémorécepteurs; pour la partie centrale, l'axone se termine classiquement
par une arborisation terminale au niveau des centres nerveux bulbaires. Les chémorécepteurs sinusaux
(non représentés) sont également impliqués dans le contrôle de la ventilation pulmonaire. Les fibres
nerveuses qui en sont issues forment le nerf de Héring, avant de rejoindre le nerf IX(glossopharyngien).
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Document 11 : La respiration des mitochondries isolées
Protocole :
• Peser 20 g de carottes ou navet
• Mixer les morceaux de carottes ou navets dans 5mL de tampon tris saccharose.
• Ajouter 20mL de tampon phosphate – saccharose
• Filtrer le jus sur une compresse + coton puis sur papier filtre.
• Conserver au froid la suspension en attendant la manipulation.
• Réaliser un montage d’EXAO
Résultat obtenu en respectant le protocole
Document 12 : Tableau issu de l’analyse biochimique de cellules
Membrane
externe
Mitochondrie
Membrane
interne
Matrice
Hyaloplasme
Particularités de la composition
chimique
40 à 50% de lipides
50 à 60% de protides
20% de lipides
80% de protéines : rôle de
transporteurs d’électrons
Pas de glucose
Présence d’acide pyruvique
(CH3COCOOH) et d’ATP
Glucose : C6H12O6
Acide pyruvique
Equipement enzymatique
comparable à celui de la membrane cellulaire
Nombreuses enzymes dont des ATPsynthases
Deshydrogénases et décarboxylases (enlève des
groupements CO)
Deshydrogénases (permet des réactions d’oxydation)
ATPsynthases
.Electronographie de mitochondrie
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Document 13 : Étude expérimentale de la glycolyse (Bordas TS spé)
La dégradation du glucose débute par la glycolyse, qui se déroule dans le cytoplasme. La molécule de
glucose est partiellement oxydée, permettant la formation de composés réduits (RH2) à partir de composés
oxydés (R).
Protocole :
Obtention d'un extrait acellulaire de levures.
1. Dans 100 mL de tampon phosphate (pH 6,2),
mettre 20 g de levures et 0,25 g de glucose.
Mettre en agitation pendant quelques heures.
2. Centrifuger les levures. Les remettre en
suspension dans 25 mL d'eau distillée.
3. Filtrer puis faire couler de l'eau dans le filtre
jusqu'à ce que le filtrat soit limpide.
4. Verser de l'alcool absolu dans le filtre.
Recommencer jusqu'à ce que le filtrat soit
limpide.
5. Faire sécher le filtre à l'étuve (35 °C).
6. Broyer la levure sèche dans un mortier contenant du sable. Ajouter 50 mL de tampon
phosphate et continuer à broyer. Filtrer.
7. Mélanger le filtrat avec 5o mL d'eau distillée et
2,5 g de glucose. Incuber pendant une heure.
8. Ajouter quelques gouttes de bleu de méthylène
afin d'obtenir un léger bleuissement de la
suspension. Mettre au bain-marie à 35°C et
observer l'évolution de la couleur du milieu
(doc. 2).
D'après D. Pot, Travaux pratiques de biologie,
Mise en évidence d'une réaction
d'oxydoréduction à partir de glucose dans le
cytoplasme des levures.
Résultat : À partir d'une suspension de
levures, on extrait, après destruction de la
paroi et de la membrane plasmique, l'ensemble des molécules présentes dans le
cytoplasme. À cet extrait acellulaire, on ajoute
un indicateur d'oxydoréduction coloré, le bleu
de méthylène. Il présente la propriété d'être
bleu à l'état oxydé et incolore à l'état réduit.
L'addition de glucose provoque l'initiation de
la glycolyse.
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Document 14 : les réserves en glycogènes du muscles (Belin 2nd)
Coupe transversale de muscle avant (a)
et après contractions (b).
Les cellules colorées sont riches en
glycogène (molécule de réserve du
glucose).
Evolution de la teneur en glycogène du quadriceps de la cuisse lors d’exercices de pédalage
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