Relations entre la nature proteique des enzymes et la catalyse

Banque Agro-Véto
ASE– 12.07
BIOLOGIE
Epreuve A
Durée : 35 minutes (ou 2 heures si sujet type ENS)
_______________
N.B. Réaliser un plan sur le sujet ci-dessous en se limitant à la rédaction (bien réfléchie) de l’introduction et
des titres des différentes parties I, II, III, A, B… accompagnée des transitions I/II et II/III, de quelques mots
clés et de l’ouverture de la conclusion.
Pour le sujet ENS, le devoir doit être entièrement rédigé.
RELATIONS ENTRE LA NATURE PROTEIQUE DES ENZYMES
ET LA CATALYSE ENZYMATIQUE
_______________
N.B. Afin de ne pas affecter l’épreuve de type B, les copies seront ramassées après 35 ou 120 minutes selon le
type de concours choisi.

Banque « Agro-Véto »
ATP-12.07
BIOLOGIE
Epreuve B
Durée : 3 heures 30 minutes
_________
L’usage de la calculatrice, d’abaques et de tables est interdit pour cette épreuve.
Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le
signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a
été amené à prendre.
A partir de l’exploitation des documents et de vos connaissances,
étudiez quelques aspects du métabolisme énergétique et des types
trophiques des eucaryotes et des procaryotes.
* L’exposé sera encadré par une introduction et une conclusion et sera structuré par un
plan faisant apparaître explicitement les thèmes abordés et la progression suivie.
* L’exposé doit se limiter aux trois thèmes abordés. Les trois parties sont indépendantes.
* Le candidat ne doit pas rédiger de longs développements de ses connaissances sur le
sujet indépendamment de l’exploitation des documents.
* Les documents peuvent être découpés et intégrés à la copie à condition d’être exploités.

THEME 1 : CHAINE RESPIRATOIRE ET ATP SYNTHASES
(D’après CAPES SVT 2004 partiel)
Des expériences permettent de préciser les relations entre le fonctionnement de la chaîne respiratoire et la
production d’ATP par les ATP synthases. On rappelle que les ATP synthases ne permettent la diffusion facilitée
des protons que si elles réalisent la synthèse d’ATP.
DOCUMENT 1-1 : Mesure de la
concentration de l’O
2
au cours du temps,
à l’aide d’une électrode de Clark, dans un
milieu adéquat contenant une suspension
de mitochondries.
Les mitochondries sont ajoutées au temps 0.
Remarque : les trois expériences sont
réalisées successivement sur la même
préparation mitochondriale.
a) Addition de 90 µmol d’ADP et d’un excès
de -hydroxybutyrate ; consommation d’O
2
de la région 2 : O
2
= 15 µmol.
Le -hydroxybutyrate est oxydé par une déshydrogénase à NAD
+
dans les mitochondries ; l’addition de malate
à la place du -hydroxybutyrate aurait donné le même résultat.
b) Addition de 90 µmol d’ADP, d’un excès de succinate et de roténone ; consommation d’O
2
de la région 4 :
O
2
= 22,5 µmol. Le succinate est oxydé par une déshydrogénase à FAD dans les mitochondries. La roténone
inhibe le transfert d’électrons en provenance du NADH.
c) Addition de 90 µmol d’ADP, d’antimycine, et d’un excès du mélange ascorbate + TMPD ; consommation
d’O
2
de la région 6 : O
2
= 45 µmol. Le TMPD (tétraméthyl-p-phénylènediamine) est un transporteur
d’électrons réduit par l’ascorbate et qui transfère ses électrons directement au cytochrome c. L’antimycine
inhibe le transfert d’électrons provenant du FADH
2
.
N.B. Dans toute l’expérience, du Pi est présent dans le milieu.
DOCUMENT 1-2 : On réalise trois expériences indépendantes (A, B et C) avec trois suspensions
mitochondriales identiques.
La concentration de l’O
2
dans le milieu d’incubation des mitochondries est mesurée au cours du temps à l’aide
d’une électrode de Clark. On ajoute successivement les substances indiquées sur les graphiques.
• ADP : adénosine diphosphate.
• FCCP : substance protonophore (le dinitrophénol, DNP, aurait le même effet).
• Oligomycine : inhibiteur de l’ATP synthétase.

THEME 2 : LES MODES DE PRODUCTION D’ATP CHEZ HALOBACTERIUM HALOBIUM
D’après A. DANON & W. STOECKENIUS Proc. Nat. Acad. Sci. Vol 71, N°4, pp 1234-1238, april 1974
A- L’archaebactérie, Halobacterium halobium vit dans les
milieux hypersalés. Elle ne possède pas de chlorophylles.
Cultivée à la lumière, sous de faible concentration en O
2
, elle
synthétise une protéine, la bactériorhodopsine qui forme des
plages de couleur pourpre pouvant occuper jusqu’à 50% de la
surface membranaire totale.
DOCUMENT 2-1 : Deux types d’Halobacterium sont ainsi
disponibles : Le Type A qui présente de grandes plages
pourpres et le type B qui n’en présente quasiment pas. Ils sont
tous les deux incubés à l’obscurité sous une atmosphère
exclusivement constituée de diazote (N
2
)
.
Le % d’ATP
intracellulaire est suivi au cours du temps. Après 30 minutes, de
la lumière est appliquée durant 20 minutes (cf. flèches +h* et -
h* sur le document 2-1 qui présente les résultats). Après une
heure, du dioxygène (O
2
) est fourni aux deux cultures.
L’action de différents inhibiteurs est étudiée sur
Halobacterium. Le tableau ci-dessous récapitule les résultats :
Conditions de culture
En présence d’Inhibiteurs :
Lumière
Anaérobiose Obscurité Aérobiose
Molécules protonophores
0 0
Inhibiteurs d’ATP synthases
0 0
Inhibiteurs respiratoires
+ 0
Valinomycine, ionophore du K
+
+ +
N.B. + = pas d’inhibition ; 0 = inhibition
DOCUMENT 2-2 : Des bactéries de type A se développant
dans le noir, en milieu aérobie (O
2
) sont éclairées (flèche +h*
du document) et les conséquences sur la production d’ATP sont
envisagées ainsi que celles du retour à un milieu anaérobie.
DOCUMENT 2-3
DOCUMENT 2-1
DOCUMENT 2-2
DOCUMENT 2-3 : Comparaison du
spectre d’absorption :
- (a) des membranes obtenues par lyse de
suspensions cellulaires d’Halobacterium
halobium de type A.
– (b) des seuls secteurs de membranes des
plages pourpres du type A
et de la quantité d’ATP produite pour
différentes longueurs d’ondes après 10
minutes d’éclairement.
Type A
Type B
a
b
Quantité d’ATP produite
pour différentes
longueurs d’ondes après
10 minutes
d’
éclairement.

B- La structure et le fonctionnement de la bactériorhodopsine ont été étudiés. La séquence des 246 acides
aminés la molécule est la suivante : DOCUMENT 2-4
Les crochets signalent les limites des 7 régions hélicoïdales de la molécule.
N.B. Les abréviations des acides aminés sont rappelées ci-dessous.
- Il s’agit d’une hétéroprotéine. La lysine (K), en
position 215, porte le groupement prosthétique de la
molécule. Il s’agit d’un chromophore, le rétinal dont
la structure et la position sont schématisées sur le
document 2-5 ci-contre.
Le rétinal après absorption d’un photon subit une
isomérisation transcis au cours de laquelle il perd
temporairement un proton (cf. cercle pointillé).
- Par mutagenèse dirigée, le remplacement de D 84, D
95, D 211 et R 81 par N, lèse gravement l’activité de
la protéine.
DOCUMENT 2-5 :
La position du rétinal et son isomérisation
- Expérimentalement, il est possible d’incorporer au niveau de la membrane de liposomes des molécules
purifiées de bactériorhodopsine d’Halobactérium et d’ATP synthase de mitochondries de myocytes de bœuf.
Cette incorporation des molécules peut se faire de façon aléatoire ou dans une orientation bien précise au sein
de la membrane. Les liposomes sont ensuite placés dans un milieu dans lequel de l’ADP et du Pi sont ajoutés
puis l’ensemble est éclairé. L’apparition d’ATP dans le milieu est suivie selon les positions des deux types de
molécules. Les résultats sont les suivants : DOCUMENT 2-6
Conditions Lumière Lumière Lumière Obscurité
Position des sphères
pédonculées d’ATP
synthase
Vers l’extérieur Vers l’intérieur Aléatoire Vers l’extérieur
Bactériorhodopsine
Orientations b ou p
(N.B. p inverse de b)
b p b p b p b p
Synthèse d’ATP oui non non non Oui (peu) non non non
N.B. Si l’orientation des bactériorhodopsines est aléatoire, il n’y a jamais de synthèse d’ATP.
LYS 215