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BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

Série : Sciences et Technologies de Laboratoire

Spécialité : Biochimie – Génie biologique

SESSION 2012

Épreuve de Biochimie - Biologie

Durée : 4 heures

Coefficient : 6

L’usage de la calculatrice n’est pas autorisé.

Ce sujet comporte 14 pages.

Les pages 11 et 14 sont à rendre avec la copie.

Les trois parties doivent être rédigées sur des copies séparées.

Répartition des points

I - Biochimie 7 points

II - Biologie humaine 6 points

III - Microbiologie 7 points


ESCHERICHIA COLI O157:H7 Tous les animaux dont les êtres humains sont porteurs de bactéries de l’espèce Escherichia coli. Cette espèce bactérienne appartient à la flore commensale de l’intestin. Certaines souches d’E.coli, notamment celles qui produisent des toxines, présentent toutefois un risque pour la santé de l’Homme. Ces souches sont appelées STEC (E.coli productrices de shiga toxines). Ce type de toxine est responsable de diarrhées sanglantes pouvant entraîner un Syndrome Hémolytique et Urémique (SHU). Un des sérotypes les plus fréquemment isolés dans cette pathologie, est le sérotype O157:H7. I. BIOCHIMIE (7 POINTS) L’identification d’E.coli en laboratoire repose essentiellement sur ses caractères biochimiques, par exemple la présence d’une β-galactosidase et l’analyse des voies de fermentation. I.1 La β galactosidase d’E. coli.

La β−galactosidase catalyse l'hydrolyse de β−galactosides dont le lactose (β−D−galactopyranosyl−(1→4)−D−glucopyranose).

I.1.1 Écrire la réaction catalysée par la β−galactosidase lorsque le substrat est le

lactose ; préciser le nom des produits formés et leurs formules chimiques en représentation de Haworth.

Donnée : le galactose est un épimère en C4 du glucose. I.1.2 Étude cinétique de la β−galactosidase

L’activité de la β−galactosidase est déterminée par la mesure de la vitesse d’hydrolyse d’un substrat de synthèse, l’orthonitrophényl-β-D-galactopyranoside (ONPG). L'étude cinétique de la β−galactosidase est réalisée à 25°C et à pH 7.

I.1.2.1 Écrire la réaction catalysée par la β−galactosidase lorsque le substrat

est l'ONPG (formules chimiques non exigées). I.1.2.2 A partir de l’analyse du document 1, représenter et expliquer le sens

de variation de l’absorbance à 405 nm en fonction du temps. I.1.2.3 Donner l'équation de Michaëlis-Menten en précisant la signification de

chaque terme utilisé.

I.1.2.4 Déterminer graphiquement la valeur des paramètres cinétiques à l’aide du document 2. Expliquer la démarche utilisée pour cette détermination graphique

I.1.2.5 Dans les mêmes conditions opératoires, le KM de la β−galactosidase

pour le lactose est de 15 mmol.L-1 Nommer le substrat pour lequel l’enzyme a le plus d’affinité. Justifier la réponse.


I.2 Métabolisme glucidique d'E. coli.

Escherichia coli dégrade le glucose en anaérobiose avec formation principalement de produits acides en proportions variables en fonction des conditions de culture (acide acétique, acide succinique, acide lactique, acide méthanoïque).

I.2.1 Le document 3 présente les étapes de la glycolyse

I.2.1.1 Donner la localisation de cette voie métabolique.

I.2.1.2 Reporter sur la copie les numéros 1 à 11 du document 3 et donner le nom des molécules identifiées.

I.2.1.3 Représenter la formule semi-développée du 1,3-diphosphoglycérate.

I.2.1.4 Nommer la classe d’enzyme à laquelle appartient la glycéraldéhyde 3-phosphate-déshydrogénase.

I.2.1.5 Dans la réaction catalysée par la glycéraldéhyde 3-phosphate-

déshydrogénase, identifier la forme oxydée et la forme réduite du coenzyme.

I.2.1.6 Représenter la formule semi-développée du pyruvate. I.2.1.7 Établir le bilan moléculaire de cette voie métabolique.

I.2.2 Le pyruvate formé est à l'origine de la production par fermentation d'acide

lactique selon la réaction suivante : Lactate déshydrogénase

pyruvate + X acide lactique + Y

I.2.2.1 Donner une définition du terme fermentation. I.2.2.2 Ecrire la réaction de production de l'acide lactique à partir du pyruvate en nommant X et Y (formule semi-développée de l'acide lactique exigée). I.2.2.3 Préciser l’intérêt métabolique de cette fermentation.

I.2.3 Donner le nom de la voie empruntée par le pyruvate lorsque le glucose est

dégradé en aérobiose.


II. BIOLOGIE HUMAINE (6 POINTS) II.1 Les manifestations intestinales d’une infection à E. coli O157:H7

Les symptômes de maladies provoquées par E.coli O157:H7 sont notamment des crampes abdominales et des diarrhées susceptibles d’évoluer en diarrhées sanglantes. La bactérie produit une shiga toxine capable de léser les capillaires sanguins du tube digestif, ce qui entraîne une hémorragie.

II.1.1 Définir le terme « hémorragie ». II.1.2 L’hémostase constitue un ensemble de réactions intervenant dans l’arrêt de

l’hémorragie. Elle se déroule en trois étapes. Citer ces trois étapes.

II.1.3 L’une de ces étapes aboutit à la formation d’un réseau de fibrine insoluble qui piège les différents éléments figurés du sang : c’est le caillot sanguin. Le document 4 montre le schéma d’un caillot sanguin.

II.1.3.1 Sur la copie, reporter les numéros 1 à 4 du document 4, et donner

les légendes correspondantes.

II.1.3.2 Préciser quelle est la conséquence de la formation du caillot sanguin. II.1.4 Le document 5 présente une partie de la cascade de réactions de formation

de la fibrine insoluble initiée par la prothrombinase. Le facteur V est un des facteurs plasmatiques de la coagulation. Une fois activé en facteur Va, il est le cofacteur du facteur Xa. La prothrombinase est un complexe formé d’ions Ca2+, de phospholipides (PL) et des facteurs Va et Xa. II.1.4.1 Sur la copie, reporter les lettres A, B et C du document 5 et nommer

les molécules correspondantes. II.1.4.2 Lors d’une infection par E.coli O157:H7, il y a inactivation du facteur V.

A l’aide des renseignements ci-dessus et du document 5, en déduire la conséquence de l’inactivation du facteur V sur l’hémorragie.

II.2 Diagnostic sérologique d’une infection à E. coli O157:H7

Pour réaliser le diagnostic d’une infection à E.coli O157:H7, les anticorps anti-lipopolysaccharide (anticorps anti-LPS) sont recherchés dans le sérum.

II.2.1 Le schéma du document 6 présente la structure d’un anticorps.

II.2.1.1 Sur le schéma du document 6 à rendre avec la copie : - représenter les régions constantes et les régions variables par un remplissage différent - indiquer la position des chaînes lourdes et des chaînes légères - entourer la (ou les) région(s) correspondant au paratope de l’anticorps.

II.2.1.2 Expliquer le rôle du paratope. II.2.1.3 Rappeler la nature biochimique d’un anticorps.


II.2.2 Différents anticorps anti-LPS peuvent être recherchés dans le sérum : ils

appartiennent à la classe des IgM et des IgG. Donner la signification de « Ig » et indiquer la principale différence de structure entre les IgG et les IgM.

II.2.3 Les anticorps anti-LPS apparaissent à la suite d'une infection par la bactérie.

La réaction immunitaire provoquée par la bactérie est schématisée sur le document 7.

II.2.3.1 Sur la copie, reporter les numéros de 1 à 6 et donner les légendes correspondantes. II.2.3.2 Sur la copie, reporter les lettres A à D et nommer les étapes

correspondantes. II.2.3.3 Sur la copie, justifier le titre donné au document 7.

II.2.4 Pour le sérodiagnostic, des hématies sensibilisées avec l’antigène O157 sont

utilisées. Donner le résultat de la réaction de ces hématies avec le sérum d’un patient ayant été infecté par la bactérie E. coli O157:H7. Justifier la réponse.

II.3 Les manifestations du syndrome hémolytique et urémique

E. coli O157:H7 produit une shiga toxine qui peut entraîner un syndrome hémolytique et urémique (SHU). Le SHU est une affection potentiellement grave affectant principalement les enfants en bas âge. Il se manifeste par une insuffisance rénale aiguë et par des atteintes hématologiques. Le diagnostic de la maladie se fait à partir d’un hémogramme.

II.3.1 Le document 8 présente le résultat de la numération des cellules sanguines chez un enfant atteint du SHU.

Analyser le tableau du document 8 et nommer les anomalies cellulaires observées.

II.3.2 Un des critères biologiques du SHU est l’anémie de type hémolytique. Elle est

révélée par la présence de schizocytes qui sont le résultat de la destruction mécanique des globules rouges.

II.3.2.1 Définir le terme « anémie ». II.3.2.2 En vous aidant du document 8 justifier l’expression « anémie

hémolytique ».

II.3.2.3 Indiquer la conséquence de l’anémie dans l’organisme après avoir rappelé le rôle des hématies.

II.3.2.4 Proposer une technique permettant l’observation microscopique de

schizocytes dans le sang.


III. MICROBIOLOGIE (7 POINTS) Escherichia coli fait partie de la flore commensale intestinale. Il existe cependant certaines souches pathogènes. La transmission de la souche E.coli O157:H7 à l’Homme se fait par la consommation d’aliments contaminés, viande hachée crue ou mal cuite et lait cru par exemple. III.1 Quelques caractéristiques d’E.coli

III.1.1 Définir l’expression « flore commensale ». Citer une de ses fonctions dans l’organisme.

III.1.2 Le serovar O157:H7 se définit par ses antigènes de paroi (Ag O) et flagellaires

(Ag H). Il possède une ciliature péritriche.

III.1.2.1 Le document 9 présente la structure de la paroi des bactéries Gram négatives. Reporter sur la copie les numéros de 1 à 10 du document 9 et nommer les légendes correspondantes.

III.1.2.2 Préciser la nature biochimique du principal constituant des flagelles. III.1.2.3 Schématiser une ciliature péritriche.

Indiquer la conséquence de cette ciliature sur le déplacement des bactéries.

III.2 Étude des conditions de croissance d’E.coli O157:H7

Pour déterminer les types trophiques auxquels appartient E. coli O157:H7, on cultive cette bactérie sur deux milieux M1 et M2. Les conditions de culture et les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-dessous (les milieux sont incubés pendant la même durée, à la même température d’incubation).

Milieu M1 Milieu M2

Co

mp

osi

tio

n

Glucose 5 g/L x K2HPO4 1 g/L x x KH2PO4 1 g/L x x NH4Cl 1 g/L x x MgSO4, 7H2O 0,2 g/L x x FeSO4, 7H2O 0,01 g/L x x NaCl 5 g/L x x MnCl2, 4H2O 0,02 g/L x x Eau distillée qsp 1 L x x

Conditions d’incubation Atmosphère enrichie en CO2 Air ambiant

Résultat Absence de culture Présence de culture

Légende : x = présence du composant dans le milieu de culture.

III.2.1 Déduire des résultats du tableau ci-dessus, les types trophiques d’E.coli. Justifier la réponse.

III.2.2 Parmi les adjectifs : « empirique, semi-synthétique, synthétique », indiquer

celui qui qualifie M2, en justifiant.


III.2.3 La croissance en milieu non renouvelé d’E.coli O157:H7 à 37°C est étudiée. A t = 0, un bouillon nutritif est ensemencé à partir de la culture en milieu M2. Des mesures spectrophotométriques réalisées à intervalles réguliers sur la culture permettent d’établir la courbe de croissance présentée dans le document 10 (page 14/14), à rendre avec la copie. N correspond à la concentration bactérienne exprimée en bactéries par mL.

III.2.3.1 Sur la courbe du document 10, délimiter les différentes phases de la

croissance en indiquant leur nom. Donner la signification physiologique de la première phase. III.2.3.2 Définir le temps de génération et le déterminer graphiquement, en

justifiant. (Donnée : Ln2 = 0,7). III.2.3.3 Ecrire la formule permettant d’obtenir la vitesse spécifique de

croissance pendant la phase exponentielle (μ expo) à partir du temps de génération.

III.2.4 Escherichia coli O157:H7 peut se multiplier entre 6°C et 45°C.

Indiquer comment évolue la valeur de G dans le cas d’une culture effectuée à la température de 6°C.

III.3 Production de shiga toxine.

La shiga toxine est produite par E.coli O157:H7 lorsque celle-ci est infectée par un bactériophage tempéré (933 w) qui code cette protéine.

III.3.1 La structure schématique du phage 933 w est donnée dans le document 11 (page 13/14). Nommer la symétrie de ce phage.

III.3.2 Citer les étapes de l’infection d’une bactérie par un phage virulent.

Préciser la principale différence existant entre une infection par un phage virulent et une infection par un phage tempéré.

III.3.3 Pour identifier l’origine des troubles causés par E.coli O157:H7, les deux expériences suivantes sont réalisées :

Expérience 1 : L’injection d’une souche d’E.coli O157:H7 à un lot de souris entraîne la mort des animaux. Les bactéries ne sont retrouvées qu’au point d’inoculation et l’autopsie révèle des lésions au niveau de plusieurs organes, notamment des reins. Expérience 2 : L’injection d’un filtrat de culture provoque les mêmes conséquences sur les souris. Analyser les résultats des deux expériences.

III.3.4 Cette shiga toxine ne fait pas partie de la paroi bactérienne. Conclure sur la classe de la toxine. Donner deux caractéristiques de cette classe de toxine.

III.3.5 La capacité de synthèse de cette toxine est transmise aux générations

suivantes. Expliquer cette affirmation.


DOCUMENT 1 Spectres d’absorbance de l’ONP et de l’ONPG

DOCUMENT 2

Cinétique de la β galactosidase en présence d’ONPG

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

-1 0 1 2 3 4 5

1/V

i L

.min

.µm

ol-1

1/[ONPG]MR L.mmol-1

1/Vi = f(1/[ONPG]MR )

250 300 350 400 450 500

0

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

Absorbance

Longueur d’onde (nm)

ONPG

ONP


DOCUMENT 3

Glucose

4

5 Glucose 6 phosphate

Fructose 6 phosphate

6

7 Fructose 1,6 bisphosphate

Dihydroxyacétone phosphate

Glycéraldéhyde-3-phosphate

NAD+ + Pi

NADH,H+ 1,3-diphosphoglycérate

8

9

3-phosphoglycérate

2-phosphoglycérate

Phosphoénolpyruvate

10

11 pyruvate

Phosphohexose isomérase

2

Aldolase

Glycéraldehyde-3-P deshydrogénase

3-P glycérate kinase

Phosphoglycérate mutase

Enolase

1

3

H2O

PCHO – CHOH – CH2O

PCOOH – CHOH – CH2O


7,5 µm 7,5 µm

DOCUMENT 4

Schéma d’un caillot sanguin

DOCUMENT 5

Formation de la fibrine


DOCUMENT 6

A COMPLETER ET A RENDRE AVEC LA COPIE

Représentation simplifiée d’un anticorps


DOCUMENT 7

Réaction immunitaire spécifique à médiation cellulaire

DOCUMENT 8

Extrait de l’hémogramme

Eléments figurés du sang

Valeur absolue par dm3 de sang déterminée chez un enfant atteint du

SHU

Valeurs physiologiques par dm3 de sang chez l’enfant

Erythrocytes 3,0.1012 4,5 à 5,0.1012

Leucocytes 9,0.109 7,0 à 10,0.109

Thrombocytes 1,0.1011 2,0 à 4,0.1011

Etape A

Etape B

Etape C

Etape D


DOCUMENT 9

Structure de la paroi des bactéries à Gram négatif

DOCUMENT 11

Structure du phage tempéré 933 w


DOCUMENT 10

A COMPLETER ET A RENDRE AVEC LA COPIE

Courbe de croissance d’E.coli O157:H7 en milieu non renouvelé à 37°C

t(h)

Ln N

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