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ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes COUPLAGE CHIMIOMECANIQUE 2ème PARTIE – Exercice 2 (Enseignement de spécialité). 5 points. Métropole 2016 Le cytoplasme des cellules est plus riche en ions K + et plus pauvre en ions Na + que le milieu extracellulaire. Ces différences de concentrations participent au potentiel de repos membranaire de -70 mV de la cellule nerveuse. À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, expliquer les mécanismes énergétiques qui assurent le maintien des différences de concentrations ioniques pour une cellule nerveuse. Document 1 : Fonctionnement de la pompe sodium-potassium (représentation schématique) et concentrations intracellulaires en ions La pompe permet d’échanger les ions sodium (Na + ) issus du milieu intracellulaire avec les ions potassium (K + ) issus du milieu extracellulaire dans un rapport précis (3 Na + / 2 K + ). D’après biologie TD – Collection Tavernier – 1989 Document 2 : Effets du cyanure sur la consommation en dioxygène du neurone On suit l’évolution de la teneur en dioxygène du milieu de culture dans lequel sont placés des neurones, avant et après ajout de cyanure. Ce dernier traverse facilement les membranes cellulaires. D’après SVT – Collection Duco – 2012

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Page 1: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes COUPLAGE CHIMIOMECANIQUE

2ème PARTIE – Exercice 2 (Enseignement de spécialité). 5 points.

Métropole 2016

Le cytoplasme des cellules est plus riche en ions K+ et plus pauvre en ions Na+ que le milieu extracellulaire.

Ces différences de concentrations participent au potentiel de repos membranaire de -70 mV de la cellule nerveuse.

À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, expliquer les mécanismes

énergétiques qui assurent le maintien des différences de concentrations ioniques pour une cellule nerveuse.

Document 1 : Fonctionnement de la pompe sodium-potassium (représentation schématique) et concentrations

intracellulaires en ions

La pompe permet d’échanger les ions sodium (Na+) issus du milieu intracellulaire avec les ions potassium (K+) issus

du milieu extracellulaire dans un rapport précis (3 Na+/ 2 K+).

D’après biologie TD – Collection Tavernier – 1989

Document 2 : Effets du cyanure sur la consommation en dioxygène du neurone

On suit l’évolution de la teneur en dioxygène du milieu de culture dans lequel sont placés des neurones,

avant et après ajout de cyanure. Ce dernier traverse facilement les membranes cellulaires.

D’après SVT – Collection Duco – 2012

Page 2: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

Document 3 : Effets du cyanure et de l’ATP sur des neurones de calmar

Caldwell et Keynes ont placé des neurones de calmar contenant des ions 24Na+ radioactifs dans de l’eau de

mer. Ils ont mesuré la vitesse de sortie de ces ions dans trois conditions différentes :

– eau de mer,

– eau de mer additionnée de cyanure,

– injection d’ATP dans le neurone en présence de cyanure

De l’ATP ajouté à l’eau de mer mais non injecté dans le neurone n’a aucun effet.

D’après http://www.didier-pol.net/6SET696.html

Document 4 : Mesures de concentrations intracellulaires en ions Na+ et K+ pour un neurone dans différents

milieux de culture.

Composition du milieu Na+

en mmol.l-1

K+

en mmol.l-1

sans glucose 77 85

avec glucose 15 150

avec glucose

+ inhibiteur de la glycolyse

64 93

avec pyruvate 18 148

avec pyruvate

+ inhibiteur de la glycolyse

23 117

D’après http://ddata.over-blog.com/

Rappel : le pyruvate est le produit final de la glycolyse

Page 3: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

Liban 2015

On s'intéresse aux différences physiologiques des fibres musculaires des sprinters et des coureurs de fond.

Le sprint est caractérisé par un effort bref (quelques secondes) et intense, la course de fond demande un effort

plutôt long et modéré.

En utilisant les informations fournies par les documents et vos connaissances définir les voies métaboliques

impliquées dans chaque type d'effort.

Document 1 : Voies de production d’ATP dans une cellule musculaire

D'après Science de la vie et de la Terre, O. Guillermou, collection Ellipse

Document 2 : Coupe transversale de cellules musculaires issue d'une biopsie d'un quadriceps chez deux athlètes

après utilisation d'une technique faisant apparaître en noir une forte teneur en enzyme F

D’après K.N Frayn, Metabolic regulation a human perpective, 2 éd

Page 4: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

Document 3 : Caractéristiques fonctionnelles des fibres musculaires

Fibres de type I. Fibres de type Il.

Vitesse de contraction + +++

Puissance de

contraction

+ +++

Document 4 : Caractéristiques structurales des fibres musculaires

Fibres de type I. Fibres de type Il.

Richesse en capillaires

sanguins

+++ +

Myoglobine* +++ +

Teneur en glycogène + +++

Richesse en mitochondries +++ +

Myoglobine*: La myoglobine est une protéine fixatrice d'O2, réservoir temporaire de dioxygène

Métropole septembre 2014

L’entraîneur d’une équipe de natation souhaite comprendre d’où vient l’énergie utilisée par les muscles lors des courses

de 100 mètres et de 1500 mètres, afin d’adapter ses séances d’entraînement.

Vous êtes chargé d’expliquer à l’entraîneur d’où provient l’énergie utilisée par les cellules musculaires dans ces deux

types de course.

Vous devez lui rédiger un document explicatif, en utilisant les données des documents et vos connaissances. Situez les

voies métaboliques 2 et 3 du document 1 sur le schéma de la feuille annexe à rendre avec la copie.

Document 1 : les différentes voies métaboliques de régénération de l’ATP dans les cellules musculaires

Lors d’un effort, une cellule musculaire consomme de très nombreuses molécules d’ATP. Elle régénère ces molécules grâce à trois

voies métaboliques décrites ci-dessous :

Voie 1 : anaérobie

alactique

Voie 2 : anaérobie lactique Voie 3 : aérobie

Substrats

utilisés

Créatine-Phosphate +

ADP

Glucose ou autres substrats

+ ADP

Glucose ou autres substrats +

O2 + ADP

Produits

formés

Créatine + ATP Acide lactique + ATP H2O + CO2 + ATP

D’après « l’exercice musculaire » C. Lacoste et D. Richard NATHAN UNIVERSITE collection 128

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Document 2 : performances et données métaboliques chez des nageurs professionnels

Aux derniers jeux olympiques d’été, le médaillé d’or du 1500 m nage libre homme a mis 14 minutes 31 secondes pour parcourir la

distance. Sa vitesse moyenne était donc de 103 m/min. Le médaillé d’or du 100 m nage libre a mis 47 secondes et 52 centièmes.

Sa vitesse moyenne était donc de 125 m/min.

Contributions relatives de la voie aérobie et des voies anaérobies selon les types de course et selon les vitesses atteintes

par des nageurs de niveau olympique

Distance de la course (en mètres) Contribution relative en %

Voies

anaérobies

Voie

aérobie

100 90 10

200 60 40

400 40 60

800 17 83

1500 10 90

D’après « l’exercice musculaire » C. Lacoste et D. Richard NATHAN UNIVERSITE collection 128

Document 3 : mise en jeu des trois voies métaboliques en fonction de la durée d’un exercice musculaire

On considère que l’effort maximal fourni lors d’un 100 m correspond à une dépense énergétique de 100%.

http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt - D’après Cometti et al. 1989

Page 6: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

Feuille annexe à compléter et à rendre avec la copie

Schéma des voies métaboliques énergétiques dans une portion de cellule musculaire

D’après http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/

Page 7: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

Polynésie 2014

Les nouvelles technologies telles que la vidéo microscopie permettent de visualiser l'activité à l'intérieur d'une

cellule

À partir de l'exploitation des documents mis en relation avec vos connaissances, proposer un mécanisme

expliquant le phénomène mis en évidence par le document 1.

Document 1 : Quelques images faites en microscopie de cellules chlorophylliennes de la feuille d'Elodée.

Les trois images proposées sont extraites d'une vidéo qui dure 5 secondes. Elles permettent de suivre le

déplacement du chloroplaste repéré par une flèche :

D'après http://jean-jacques.auclair.pagesperso-orange.fr/elodea/cyclose.htm

Document 2 : Variation de la vitesse de cyclose des chloroplastes en fonction des conditions énergétiques de la

cellule.

La cyclose est le mouvement des organites dans le cytoplasme.

La vitesse de la cyclose des chloroplastes de l'Elodée a été mesurée en plaçant un fragment de feuille

successivement dans trois solutions :

- une solution témoin puis,

- une solution composée de la solution témoin additionnée d'ATP (10-5 mol.L-1) puis,

- une solution composée de la solution témoin additionnée d'ATP (10-5 mol.L-1) et de pC1BA, un antagoniste de la

synthèse d'énergie dans la cellule (10-5 mol.L-1).

Cette expérience a été répétée pour plusieurs concentrations d'ATP et de pC1BA et des résultats comparables sont

obtenus à chaque fois.

D'après Brueske et Applegate, 1965. The roles of adenosine triphosphate and glutathione in the inhibition of cyclosis

by p-chlorobenzoic acid in Elodea densa

Page 8: ANNALES SPECIALITE : Energie et cellules vivantes …

Document 3 : Disposition des chloroplastes dans une cellule chlorophyllienne de Nitella flexilis observée en

microscopie électronique

D'après Kersey et Wessells, Journal of Cell Biology, 1976, 68: 264-265

Document 4 : Schéma d'interprétation des interactions entre les chloroplastes et les filaments d'actine à l'origine

du déplacement des chloroplastes.

La myosine est une protéine capable de se déformer en utilisant de l'ATP

D'après Shimmen et Yokota, Current Opinion in cell Biology, 2004, 16:68-72