THEME-1 - SVT / S.BERNARD

THEME 1 – LA TERRE
L’EVOLUTION DE LA VIE
DANS L’UNIVERS, LA VIE ET
ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE
« Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce
qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. »
Selon la nature des besoins et la source d’énergie utilisée, on
distingue :
 Les organismes autotrophes qui sont capables d’utiliser des éléments
inorganiques pour synthétiser leurs propres constituants organiques.
Les producteurs primaires (autotrophes) utilisent le carbone (oxydé)
du dioxyde de carbone atmosphérique pour constituer les chaînes
carbonées, base de leurs molécules organiques (carbone réduit). Ce
processus consomme le dioxyde de carbone.
 Les organismes hétérotrophes qui sont incapables d’effectuer euxmêmes les synthèses de leurs constituants à partir d’éléments
minéraux. Les autres producteurs (hétérotrophes) déconstruisent des
molécules organiques préexistantes pour produire leur propre matière,
constituée d'autres molécules organiques (reconstruction). Comme
seulement 10% de la matière organique est reconstruite, ce processus
restitue une quantité importante de dioxyde de carbone à
l'atmosphère.
 TD1: Après lecture et analyse du document de travail (Doc1.T)
distribué, organisez sous forme de cadres et de flèches les différentes
interactions entre les réseaux trophiques.
Les composants des organismes vivants se transforment en permanence. Ces
transformations ont des répercussions observables à différentes échelles (moléculaire,
cellulaire, physiologique et au niveau des populations). Ainsi, à l’échelle de la
biosphère, les êtres vivants interviennent dans le cycle du carbone, du dioxygène ou de
l’eau. A l’échelle des écosystèmes, la matière est transformée au sein des réseaux
trophiques. A l’échelle des organismes, les différentes fonctions sont réalisées grâce à
des processus spécifiques de la vie. Enfin, à l’échelle cellulaire se déroulent diverses
réactions métaboliques.
A l’origine de ces transformations, diverses formes d’énergie peuvent être identifiées.
Il s’agit de l’énergie lumineuse provenant du soleil et de l’énergie chimique provenant de
molécules biochimiques.
Les végétaux chlorophylliens nécessitent de l’énergie solaire pour synthétiser leur propre
matière grâce à la photosynthèse. Cette matière est utilisée par les organismes qui ne
sont pas capables d'utiliser directement l'énergie solaire. Les échanges gazeux
STEBER.SVT/1
respiratoires présents chez nombre d’organismes sont un indice d’une libération
d’énergie chimique à partir de la matière. La contraction musculaire met en œuvre
une énergie mécanique. Il existe ainsi, à l’échelle de la biosphère et des écosystèmes,
un flux énergétique intimement lié aux cycles de la matière permettant de passer de
l’énergie lumineuse à l’énergie chimique et mécanique.
 Voir correction ci-dessous
Schématisation (non à l'échelle) des transferts d'énergie à
travers la biosphère)
Producteurs
Consommateurs
1aires et 2aires
R1
T1
7 0 %
Décomposeurs
PB1
R4
L1
T4
R2
DH
PN1
T2
L2
R3
C1
T3
L3
C2
PN2
PN3
C3
BILAN : Au sein des écosystèmes les différents métabolismes (autohétérotrophie) se complètent et structurent les écosystèmes. Plus les
réseaux trophiques sont complexes, plus l’écosystème sera stable.
A la base de tous les écosystèmes on trouve des autotrophes, seuls
capables d’introduire la matière organique, à partir de la matière minérale,
seuls capables de transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique,
dans le monde vivant.
STEBER.SVT/2
NB : il existe des autotrophes qui utilisent d’autres formes d’énergie : des bactéries
exploitent les fumeurs noirs des dorsales océaniques, richement minéralisés. Cette
chimioautptrophie pourrait être une des premières formes d’autotrophie apparue sur
Terre.
CHAP 1: LA PHOTOSYNTHESE
Equation globale simplifiée et équilibrée: 6 CO2 + 6 H2O →
C6H12O6 + 6 O2
 TP1: mise en évidence de la consommation de CO2 (dioxyde de
carbone) et du rejet d'O2 (dioxygène) en phase claire puis observation
de ces phénomènes en phase sombre.


A 22°C en pleine lumière, la suspension d'Euglène consomme du dioxyde de carbone et
produit du dioxygène.
Par ailleurs, on s'aperçoit qu'à l'obscurité, cette même suspension consomme moins de
CO2 (on aurait pu prévoir un arrêt complet) et ne produit plus d'O2.
Que penser de tous ces résultats?
La lumière semblerait être le catalyseur pour la consommation du CO2 et la production d'O2
toutefois on s'aperçoit que le décalage observé entre l'arrêt de la production d'O2 et la baisse de
la consommation de CO2 (et non l'arrêt) indique que même à l'obscurité le végétal continue
(durant le laps de temps correspondant à l'expérience) à consommer du CO2 donc que cette
consommation de CO2 n'est pas directement dépendante de la lumière.
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A partir de là, on peut définir deux étapes dans la photosynthèse; Une phase dite
"photochimique" durant laquelle de l'O2, une molécule énergétique (ATP) et une molécule de
coenzyme réduit sont produits(RH2) et une phase dite "biochimique" durant laquelle le
végétale produit de la matière organique (Ribulose biphosphate C5P2  APG…acide
phosphoglycérique C3P  glucose+acides gras+acides aminés  amidon (molécule de stockage))
1.1 La phase photochimique (phase claire)
La phase photochimique (comme la phase biochimique ou non photochimique) se déroule
dans un organite cellulaire végétal: le chloroplaste. Plus précisément la phase
photochimique a lieu dans la membrane des thylakoïdes.
H2O 2H+ + 2e- + ½O2 (production d'O2)
R+ + 2H+ + 2e-  RH2 (production d'un coenzyme réduit)
ADP + Pi ATP (production d'une molécule énergétique à partir de phosphate
inorganique)
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 TP2: Extraction et chromatographie des pigments photosensibles
1.2 Phase biochimique (phase sombre)
La phase sombre correspond à la phase d’assimilation du CO2 qui utilise les
molécules énergétiques produites lors de la phase photochimique et qui est
réalisée de manière cyclique. Ce cycle est appelé cycle de Calvin et il se
déroule dans le stroma du chloroplaste.
L’assimilation du CO2 se fait en quatre étapes principales dont les trois
premières se déroulent au sein du cycle de Calvin :




Fixation du CO2 (carboxylation).
Réduction du carbone fixé.
Régénération de l’accepteur de CO2.
Synthèse des sucres.
1.2.1 fixation du CO2
Carboxylation du ribulose biphosphate (RUBP C5)
CO2 atm + *RUBISCO (enzyme)
Ribulose biphosphate
(1,3) biphosphodiglycérate (C6)
molécule intermédiaire instable
2*(acide phosphoglycérique: APG(C3))
*RUBISCO: Ribulose biphosphate carboxylase oxygénase
STEBER.SVT/5
Réduction de l’acide phosphoglycérique (APG)
Intervention d’une molécule énergétique (ATP) et d’une molécule de coenzyme réduit
(NADH2) toutes les deux produites lors de la phase photochimique.
(La formation de 2 molécules de trioses consécutive à la fixation d'une
molécule de CO2 lors de la carboxylation du RUBP entraîne donc l’intervention
de 2 molécules d'ATP et 2 molécules de NADPH)
Régénération du RUBP
Pour parler de cycle, en l’occurrence cycle de Calvin, il est nécessaire que la suite des
réactions
métaboliques forme une
boucle et
donc que le RUBP soit
régénéré.
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1.2.2 Bilan du cycle de CALVIN
STEBER.SVT/7
La formation de 6 molécules d’APG consécutive à la fixation de 3 molécules de CO2 nécessite
donc 6 molécules d'ATP et 6 molécules de NADPH (RH2)
Il existe un couplage des réactions métaboliques lors de la
photosynthèse ; en effet des molécules produites lors de la
phase photochimique sont utilisées lors de la phase
biochimique et vice et versa.
1.2.3 Schéma du couplage
photosynthèse
énergétique
lors
de
Couplage chimio-chimique
H2 O
ATP et RH2
O2
ADP+Pi et R
Phase photochimique
Molécules organiques :
glucides, lipides et
protides
CO2
Phase biochimique
PHOTOSYNTHESE
STEBER.SVT/8
la
Travail avec le logiciel RASTOP 2.0
ADENOSINE TRIPHOSPHATE
Adénine
Ribose
3 phosphates
CHAPITRE 2 : L’UTILISATION DE MOLECULES ORGANIQUES AFIN DE
RECUPERER DE L’ENERGIE UTILISABLE PAR LES CELLULES : LA
RESPIRATION ET LA FERMENTATION.
Exemples : RESPIRATION ET FERMENTATION ALCOOLIQUE CHEZ LA LEVURE
Cellule eucaryote choisie : la levure (saccharomyce cervesae)
Respiration : C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + énergie utilisable +
chaleur
Fermentation alcoolique : C6H12O6
utilisable + chaleur
2.1 Respiration cellulaire
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
2CO2 + 2CH3CH2OH + énergie
D’une façon simplifiée, la respiration cellulaire se
matérialise par une consommation d’O2 et d’ATP
accompagnée d’un dégagement de CO2
C6H12O6+O2+H20=>CO2+ATP+H20
2.1.1 Lieu(x) de la respiration cellulaire
Les mitochondries
Les mitochondries sont de petits organites (environ 1micromètre de longueur) essentiels
dans les processus énergétiques cellulaires.
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L'ensemble des réactions qui fournit de l'énergie au sein de la mitochondrie constitue la
respiration cellulaire.
Les mitochondries sont formées d'une membrane externe, d'une membrane interne avec
de nombreux replis ou crêtes et d'une matrice qui est l'espace entre les replis de la
membrane interne.
Elles contiennent de nombreuses enzymes. et possèdent leur propre A.D.N. (A.D.N
mitochondrial)
Elles peuvent se multiplier en fonction des besoins énergétique de la cellule.
Dans les mitochondries les nutriments subissent des réactions de simplification
moléculaire plus poussées.
Par exemple les molécules issues de la simplification de glucose dans le cytoplasme
(comme le Pyruvate molécule à 3 atomes de carbone) vont être transformées jusqu'à la
formation de dioxyde de carbone par un ensemble de réaction appelé "cycle de Krebs"
dans la matrice mitochondriale.
Ces réactions vont être coordonnées avec d'autres réactions qui se déroulent aux
niveaux des crêtes mitochondriales (réactions de phosphorylation oxydative).
Ces réactions sont des réactions d'oxydo- réduction qui fournissent de l'énergie. Elles
sont couplées à la synthèse d'A.T.P qui en nécessite.
La dégradation complète d'une molécule de glucose fournira 38 molécules d’A.T.P.
Chaque molécule d'A.T.P. pourra être ensuite transformée en A.D.P + P + énergie en
fonction des besoins énergétiques cellulaires.
La réaction A.D.P. + P + Energie fournit une énergie de 7kcal / mol.)
STEBER.SVT/11
Se déroule dans le
cytoplasme cellulaire
Entrée dans la matrice
mitochondriale
Se déroule dans la
matrice mitochondriale
Se déroule dans la
crête mitochondriale
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CHAPITRE 3 : LA FIBRE MUSCULAIRE UTILISE ET REGENERE L’ATP
3.1 Les muscles



Muscles squelettiques (aspect strié, longues fibres parallèles)
Muscle cardiaque (aspect strié, fibres courtes ramifiées)
Muscles lisses
Les muscles striés squelettiques (pouvant constitués 45% de la masse corporelle d’un individu, variables en fonction
de l’âge et du sexe) sont constitués d’un
ensemble de cellules de grande taille
(jusqu’à plusieurs centimètres de long et
de 10 à
100µm de diamètre) appelées myocytes.
Au
regard de leur taille les myocytes sont
appelés
fibre musculaire. Elles peuvent contenir
plusieurs centaines de noyaux disposés à
leur
périphérie : il s’agit de grandes cellules
plurinucléées. Au microscope optique, la
cellule
apparaît
striée
longitudinalement
et
transversalement ; en effet la fibre
musculaire ou myocyte est constitué
d’unités
contractiles constituées de bandes claires
et
de
bandes sombres, de plus chaque myocyte
contient plusieurs myofibrilles disposées
en
parallèles. Chaque unité contractile est
appelée
sarcomère. Ces derniers sont constitués
de
myofilaments visibles au microscope
électronique ; des myofilaments fins composés d’actine entourant des myofilaments épais composés de myosine. Les
zones opaques ou sombres donnent son aspect caractéristique au muscle aux endroits où les myofilaments se
chevauchent.
Les filaments de myosine se caractérisent par la présence d’un nombre important de têtes, appelé pont d’union,
environ 200 par sarcomère. C’est l’union de ces têtes et des filaments d’actines poursuivi par le pivotement des têtes
qui génère le rapprochement des extrémités du sarcomère et donc la contraction musculaire. Au microscope, les
extrémités d’un sarcomère au repos laissent apparaître une bande claire qu’on appelle « LA BANDE I ». « La strie Z »
centrale a la bande I correspond au point d’union des deux sarcomères. « LA BANDE A » qui est centrale correspond a
l’emplacement des filaments de myosines. La « ZONE H » et la zone qui correspond a l’absence de filament d’actine
c'est-à-dire la zone de non recouvrement de ces myofilaments en absence de contraction. Lors de la contraction il y a
disparition de la « ZONE H ».
3.2 La contraction musculaire
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La myosine forme avec l’actine des ponts d’union (têtes de myosine) qui attirent le myofilament épais entre les
myofilaments fins. Par conséquent les lignes Z se rapprochent, alors que la zone H et la bande I se rétrécissent ; le
déplacement lié à la contraction résulte donc de l’addition des raccourcissements des sarcomères disposés en série
dans les myofibrilles.
3.3 Mécanisme énergétique de la contraction musculaire
3.3.1 Stimulation grâce au déversement du calcium
Vue en coupe du dégagement
du site de fixation de la
myosine grâce au calcium.
3.3.2 Placement de la tête de myosine grâce à l’hydrolyse de l’ATP
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3.3.3 Relâchement grâce à la présence d’une molécule d’ATP
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BILAN :
La contraction musculaire est possible grâce évidemment aux différentes
musculaires mais aussi grâce aux molécules d’ATP qui sont hydrolysées par
une ATPase (enzyme) + Mg2+
Sans oublier le dégagement du site de fixation de la tête de myosine sur
l’actine par l’arrivée massive de calcium initiée par la commande nerveuse.
3.4 Régénération de l’ATP dans la cellule musculaire
L’ATP est régénérée par trois voies métaboliques :
1/ créatine kinase :
ADP + PC →ATP +C
2/ Glycolyse :
Glycogène + 3ADP+ 3Pi →2C3 H6 O3 + 3ATP+Ac.lactique
3/ Phosphorylation oxydative (respiration cellulaire) :
C3 H4 O3 (acide pyruvique) + 2O2 + 18 ADP+ 18 Pi →3 CO2 + 20 H2 0 + 18 ATP
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