Chapitre 1 : Unicité chimique des êtres vivants 1) Associez le nom de chacun de ces lipides à sa formule chimique. Lesquels sont présents dans les membranes plasmiques (voir Chapitre 3) ? Comment définir un lipide ? Conseil : Repérez les structures caractéristiques des différents types de lipides. a) Triglycéride b) Cortisol (sachant qu’il dérive du cholestérol) c) Acide gras d) Cholestérol e) Phosphatidylinositol I) II) III) IV) V) 2) En sachant que l’acide aminé glycine correspond à l’extrémité C-terminale, représentez en détail la structure du peptide suivant, en indiquant notamment les liaisons peptidiques. Peptide : Gly–Ala–Cys Conseil : Souvenez-vous de la réaction de formation d’un peptide à partir de plusieurs acides aminés.
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Transcript
Chapitre 1 :
Unicité chimique des êtres vivants
1) Associez le nom de chacun de ces lipides à sa formule chimique. Lesquels sont présents dans
les membranes plasmiques (voir Chapitre 3) ? Comment définir un lipide ?
Conseil : Repérez les structures caractéristiques des différents types de lipides.
a) Triglycéride
b) Cortisol (sachant qu’il dérive du cholestérol)
c) Acide gras
d) Cholestérol
e) Phosphatidylinositol
I) II)
III)
IV) V)
2) En sachant que l’acide aminé glycine correspond à l’extrémité C-terminale, représentez en
détail la structure du peptide suivant, en indiquant notamment les liaisons peptidiques.
Peptide : Gly–Ala–Cys
Conseil : Souvenez-vous de la réaction de formation d’un peptide à partir de plusieurs acides aminés.
Réponses :
1)
a) Triglycéride : formule III
- Non présent dans la membrane plasmique.
- Hydrolysables, les triglycérides constituent une réserve d'énergie grâce aux acides gras qu’ils
contiennent. Ces derniers sont dégradables par la β-oxydation et fournissent, via la chaîne
respiratoire, de l’énergie à la cellule. Ils sont stockés dans les cellules adipeuses.
b) Cortisol : formule IV
- Non présent dans la membrane plasmique.
- Le cortisol est une hormone stéroïde sécrétée par le cortex de la glande
surrénale et fabriquée à partir de cholestérol. Il permet de réguler le
métabolisme des glucides (néoglucogenèse), des graisses et des protéines.
c) Acide Gras : formule V
- Comme tel, non présent dans la membrane plasmique.
Par contre, les phospholipides, qui contiennent des acides gras, sont bien présents dans la
membrane plasmique (voir Chapitre 3).
- Les acides gras constituent une importante réserve d’énergie contenue dans la cellule. Ils sont
stockés sous la forme de triglycérides dans des gouttelettes lipidiques.
d) Cholestérol : formule I
- Présent dans la membrane plasmique (voir Chapitre 3).
- Le cholestérol est un composant majeur des membranes cellulaires
animales. Il contribue à leur stabilité et au maintien de leurs structures en
s'intercalant entre les phospholipides.
e) Phosphatidylinositol : formule II
- Présent dans la membrane plasmique (voir Chapitre 3).
- Les phospholipides, avec les glycolipides et les stérols, sont les constituants essentiels des membranes cellulaires. La nature des acides gras des phospholipides joue un rôle important dans la fluidité des membranes, ainsi que dans la perméabilité à certaines molécules ou à certains ions.
Parmi ces lipides, les seuls qui soient présents dans la membrane plasmique sont donc le cholestérol
et le phosphatidylinositol (voir Chapitre 3).
Une définition possible les lipides : Classe hétérogène de molécules organiques insolubles dans
l’eau, solubles dans les solvants organiques apolaires (benzène, chloroforme, éther…) et
caractérisées par la présence dans la molécule d’au moins un acide gras. Cette dernière
caractéristique n’est toutefois pas présente chez les stéroïdes. Ceux-ci, insolubles dans l’eau, sont
tout de même rattachés aux lipides, mais on parlera plutôt de « composés à caractère lipidique ».
À vrai dire, il n'existe pas vraiment de définition unique reconnue par la communauté scientifique, les
« lipides » désignant un ensemble de molécules aux structures et aux fonctions extrêmement
variées.
2) Par convention, le premier acide aminé de la structure primaire d’un peptide est celui dont la
fonction amine n’est pas engagée dans une liaison peptidique, constituant l’extrémité NH2-
terminale du peptide. Ce peptide est donc formé de trois acides aminés :
HOOC–GlycineAlanineCystéine–NH2 ou H2N–CystéineAlanineGlycine–COOH
Deux liaisons peptidiques (CO–NH) sont présentes dans ce peptide et sont entourées ci-dessous :
Cystéine Alanine Glycine
Cystéine Alanine
Glycine
= Liaison peptidique
Chapitre 2 :
Unicité structurale du vivant
et méthodes d’étude de la cellule
1) Pour chacun des organismes/organites/constituants suivants, citez le moyen (œil humain, microscope optique ou microscope électronique) que vous utiliseriez pour le visualiser :
a) l’ADN
b) une mitochondrie
c) un œuf humain
d) une cellule eucaryote
e) une paramécie
f) une cellule nerveuse
g) des ribosomes
h) un virus
Conseil : Établissez une échelle de grandeur pour chaque élément à observer.
2) Il existe de nombreux colorants permettant d’identifier la cellule et sa constitution lors de son observation au microscope. La coloration peut être :
a) Simple : utilisation d’un colorant unique b) Combinée : utilisation de plusieurs colorants
Pour chacun des colorants suivants : - vert de méthyle-pyronine - réactif de Schiff - hématoxyline/éosine
Pouvez-vous préciser s’il s’agit d’une coloration simple ou combinée et indiquer ce qu’ils mettent en évidence ?
Conseil : L’utilisation de plusieurs colorants permet d’ajouter du contraste entre différents éléments
dans la préparation à observer au microscope.
Réponses :
1) Le choix de l’instrument d’observation dépend de la taille de l’objet à examiner, mais aussi du
type d’informations que l’on souhaite retirer de l’analyse. L’œil humain ne peut distinguer des
objets en dessous de 100 µm. Les pouvoirs de résolution des microscopes optique et
électronique sont respectivement de 200 nm et 0,2 nm.
a) Microscopie électronique. L’ADN est une molécule constituée de 2 chaînes nucléotidiques
enroulées en une double hélice (voir Chapitre 1). Son diamètre est de 2 nm, il ne peut donc être
observé qu’au microscope électronique.
b) Microscope optique et microscope électronique. Une mitochondrie est un organite des
cellules eucaryotes dont la dimension est de 1 à 10 µm de long et 0,5 à 1 µm de diamètre (voir
Chapitre 9). Bien que les mitochondries soient déjà visibles en microscopie optique, en
particulier à l’aide d’un microscope à contraste de phase, l’examen de leur organisation
structurale interne nécessite l’emploi d’un microscope électronique.
c) Microscope optique et microscope électronique. La taille de l’œuf humain (100 µm de
diamètre) permet difficilement de l’observer à l’œil nu. Observer un œuf humain nécessite donc
un microscope optique ou un microscope électronique pour les détails plus fins.
d) Microscope optique, œil humain et microscope électronique. La taille moyenne d’une cellule
eucaryote varie entre 10 et 100 µm de diamètre. En conséquence, à l’exception de quelques
cellules de grande taille comme l’œuf de poule qui sont visibles à l’œil nu, les cellules eucaryotes
seront observées à l’aide d’un microscope optique. L’organisation structurale interne de ces
cellules pourra être étudiée en microscopie électronique.
e) Microscope optique, microscope électronique et œil humain. Étant donné que la paramécie
est un protiste cilié dont la taille varie de 50 à 300 µm de long suivant les espèces, cet
unicellulaire peut, dans la majorité des cas être, observé à l’aide d’un microscope optique. Pour
les espèces de grande taille, elles pourront être observées à l’œil nu. Pour l’examen de leur
structure interne, il faudra le microscope électronique.
f) Microscope optique, œil humain et microscope électronique. La taille des neurones variant
entre 5 et 120 µm de diamètre, leur observation sera réalisée au moyen d’un microscope
optique. Cependant, les invertébrés peuvent présenter des cellules nerveuses de plus grande
taille, visibles à l’œil nu. Par exemple dans le ganglion viscéral de l’aplysie (lièvre de mer,
mollusque gastéropode sans coquille), un neurone peut atteindre 1 mm de diamètre. Le
microscope électronique sera nécessaire pour l’analyse de la structure interne des neurones.
g) Microscope électronique. Les ribosomes sont des structures subcellulaires de 25-30 nm de
diamètre qui requièrent le microscope électronique pour leur observation (voir Chapitre 5).
h) Microscope électronique. Les virus se caractérisant par leur très petite taille (< 250 nm), le
microscope électronique est indispensable à leur observation. Cependant, il a été récemment
découvert des virus géants (400 nm) qui peuvent être observés en microscopie optique.
2) La coloration par le vert de méthyle-pyronine est une méthode cytochimique utilisant 2
colorants (coloration combinée, b) pour différencier l’ADN de l’ARN. La chromatine, riche en
ADN, est colorée en vert par le vert de méthyle tandis que le nucléole et les régions
cytoplasmiques avec un abondant contenu en ribosomes, structures riches en ARN, sont colorés
en rouge par la pyronine.
Le réactif de Schiff est un colorant utilisé dans la réaction de Feulgen pour la mise en évidence
de l’ADN dans les cellules et dans la réaction PAS (Periodic Acid Schiff) pour la détection des
structures riches en polysaccharides tels les grains de glycogène, le cell coat et la membrane
basale (coloration simple, a). Dans les 2 cas, le réactif de Schiff est réduit par des groupements
aldéhydiques préalablement libérés par un traitement chimique, formant un complexe coloré en
pourpre. Dans la réaction de Feulgen, les aldéhydes sont rendus accessibles par rupture des
liaisons N-glycosidiques des bases puriques de l’ADN à l’aide d’une hydrolyse ménagée par
l’acide chlorhydrique. Dans la réaction PAS, les aldéhydes sont démasqués par rupture de la
liaison covalente entre 2 groupes -OH des sucres au moyen d’une oxydation par l’acide
périodique.
La coloration à l'hématoxyline et à l'éosine est une méthode de coloration différentielle
(coloration combinée, b) de tissus très utilisée en histologie. Cette méthode colore le noyau en
bleu-noir grâce à l’hématoxyline (l’hématoxyline possède une bonne affinité pour les
substances acides ; il met en évidence des structures basophiles, telle la chromatine présente
dans le noyau des cellules) alors que le cytoplasme est coloré en orange rosé par l’éosine
(l’éosine présente une affinité pour les substances alcalines ; elle révèle des structures
acidophiles tel le cytoplasme cellulaire).
Chapitre 3 :
La périphérie cellulaire
1) Un lambeau d'épiderme d'oignon rouge placé dans une solution de galactose 0,4 M est
observé au microscope. La membrane plasmique des cellules reste accolée à la paroi
pectocellulosique.
Un autre lambeau d'épiderme est placé dans une solution mixte de galactose 0,4 M et
d’acétate d’ammonium 0,1 M. Les cellules présentent rapidement un décollement de la
membrane plasmique qui s'écarte de la paroi. Cependant, après quelques minutes, les cellules
reprennent un aspect normal.
Expliquez ces deux situations.
Conseil : N’oubliez pas que ces phénomènes sont dynamiques et peuvent parfois prendre du temps.
2) Un récipient est partagé en 2 compartiments A et B par une membrane perméable aux
molécules et aux ions de taille inférieure à 300 g/mole. En A, on place 0,5 litre d'une solution
dont la composition est : glucose 90 g/l, NaCl 0,2 m et lactose 102,6 g/l. En B, on place 0,5 litre
d'une solution dont la composition est : saccharose 6,84 %, urée 18 g/l et un composé X à
0,2 m. À l’équilibre, le niveau est plus élevé dans le compartiment B que dans le compartiment
A.
Les masses moléculaires de ces différentes substances sont : glucose : 180- saccharose : 342 -
lactose : 342 - NaCl : 58,5 - urée : 60
a) Quelle est, à l’équilibre, la concentration molaire en glucose dans le compartiment B ?
b) Quelle est, à l’équilibre, la concentration molaire en urée dans le compartiment A ?
c) La concentration en saccharose dans le compartiment B, à l’équilibre, est-elle inférieure,
égale, ou supérieure à 0,2 m ? Justifier votre réponse.
d) La concentration en lactose dans le compartiment A, à l’équilibre, est-elle inférieure, égale
ou supérieure à 0,3 M ? Justifier votre réponse.
e) La masse molaire du composé X est-elle supérieure ou inférieure à 300 g/mole ?
Conseil : Différenciez bien les solutés qui peuvent passer au travers de la membrane et ceux qui en
sont incapables.
Réponses :
1) - Solution de galactose à la concentration de 0,4 M :
Le galactose ne se dissociant pas en solution, la pression osmotique de la solution de galactose
0,4 M est de 0,4 OsM, soit une solution isotonique pour les cellules d’épiderme d’oignon rouge.
Dans ces conditions, il n’y a pas de variation du volume cellulaire.
- Solution mixte de galactose 0,4 M et d’NH4Ac 0,1 M :
L’acétate d’ammonium se dissociant en 2 ions en solution, Ac- et NH4+, la pression osmotique de
la solution mixte de galactose 0,4 M et d’NH4Ac 0,1 M est de 0,6 OsM, soit une solution
hypertonique pour les cellules d’épiderme d’oignon rouge. Lorsque le lambeau d’épiderme sera
plongé dans cette solution, l’eau sortira de ses cellules. C’est le phénomène de plasmolyse.
Cependant, bien que Ac- et NH4+ ne franchissent pas ou très difficilement les membranes, ces
ions peuvent par protonation et déprotonation se transformer en acide acétique et ammoniac,
molécules neutres capables de traverser facilement la membrane plasmique des cellules. À
terme, ces deux molécules vont équilibrer leur concentration de part et d'autre de la
membrane. Le mouvement d'eau va alors s'inverser, engendrant une déplasmolyse et un retour
à l’aspect normal des cellules.
Il est important de remarquer que la plasmolyse est le premier phénomène osmotique, car les
mouvements d'eau sont toujours plus rapides que les mouvements de molécules ou d'ions.
2) a) Au départ, le compartiment A contient 0,5 litre d’une solution mixte renfermant du glucose à
90 g/l. La membrane étant perméable au glucose, à l’équilibre, le glucose va se répartir à la
même concentration de part et d’autre de la membrane. Le volume total des 2 compartiments
étant égal à 1 litre, le glucose du compartiment A sera dilué 2 fois soit 45 g/l.
La masse moléculaire du glucose est de 180, il faut donc 180 g de glucose pour réaliser un litre
de solution 1 M. Donc, à l’équilibre, la concentration molaire en glucose dans les 2
compartiments sera de 45/180 = 0,25 M.
b) Au départ, le compartiment B contient 0,5 litre d’une solution mixte renfermant de l’urée à
18 g/l. La membrane étant perméable à l’urée, à l’équilibre, l’urée va se répartir à la même
concentration de part et d’autre de la membrane. Le volume total des 2 compartiments étant
égal à 1 litre, l’urée sera diluée 2 fois soit 9 g/l.
Sachant que la masse moléculaire de l’urée est de 60, à l’équilibre, la concentration molaire de l’urée dans les 2 compartiments sera de 9/60 = 0,15 M.
c) Étant donné que le glucose, l’urée et le NaCl diffusent à travers la membrane, ils vont
équilibrer leur concentration de part et d’autre de la membrane semi-perméable et sont
osmotiquement inactifs. Les deux composés connus osmotiquement actifs sont le saccharose et
le lactose.
Le pourcentage de la solution de saccharose est de 6,84 %. La masse moléculaire du saccharose
est de 342, il faut donc 342 de saccharose pour réaliser un litre de solution 1M. Donc, une
solution de saccharose de 6,84 % (6,84 g/100 ml ou 68,4 g/l) est une solution 0,2 m (68,4/342).
Le saccharose ne se dissociant pas en solution, la pression osmotique de la solution de
saccharose 0,2 m est de 0,2 OsM.
Dans le compartiment A, la pression osmotique de la solution de lactose 0,3 M (102,6/342) est
0,3 OsM. La pression osmotique du milieu B est de 0,2 OsM (saccharose 0,2 m) additionnée de la
pression osmotique de la solution du composé X 0,2 m.
Or, le niveau du liquide à l’équilibre est plus élevé dans le compartiment B que dans le
compartiment A. Cela nous indique que le milieu B doit être plus concentré en substances
osmotiquement actives.
À l’équilibre, le saccharose dans le compartiment B sera dilué par le passage de l’eau du
compartiment A vers le compartiment B et la concentration en saccharose sera inférieure à
0,2 m.
d) Par le même raisonnement que celui décrit au point c, à l’équilibre, le lactose se concentrera
dans le compartiment A par la sortie de l’eau du compartiment A vers le compartiment B et la
concentration en lactose sera supérieure à 0,3 M.
e) Comme mentionné au point c, le milieu B doit être plus concentré en substances
osmotiquement actives. Or, la pression osmotique du milieu A est de 0,3 OsM et celle du
saccharose dans le compartiment B est de 0,2 OsM. Le composé X doit donc être
osmotiquement actif, sa masse molaire est donc supérieure à 300 g/mole.
Chapitre 4 : Le noyau
1) Soit la séquence nucléotidique d’un brin d’ADN :
3’ – TACAAATGAGCCGCTAGCAGC– 5’ a) Donnez la séquence du brin complémentaire après réplication.
b) Donnez la séquence de l’ARN après transcription en utilisant le brin obtenu en a) comme
brin sens.
2) Des segments d’ADN comprenant un gène spécifiant une protéine et ses régions voisines sont
isolés. Ces segments sont dénaturés et mis en présence de molécules d’ARNm matures
préalablement produites à partir de ce gène. Les hybrides ADN-ARN sont étalés sur des grilles
de microscopie électronique recouvertes d’un mince film support. Après ombrage des
molécules, un chercheur résume l’une de ses observations par le schéma suivant :
Faites une interprétation de cette observation et annotez le schéma.
Conseil : L’ensemble de l’information génétique contenue dans le gène est-elle présente dans
l’ARNm mature ?
Réponses :
1) a) Après réplication, la séquence du brin complémentaire est la suivante :
Brin d’ADN : 3 ’ – T A C A A A T G A G C C G C T A G C A G C – 5 ’
Brin complémentaire : 5 ’ – A T G T T T A C T C G G C G A T C G T C G – 3 ’
ou dans l’autre sens 3 ’ – G C T G C T A G C G G C T C A T T T G T A – 5 ’
b) Après transcription, la séquence de l’ARN transcrit (ARNm) est la suivante :
Brin sens : 5 ’ – A T G T T T A C T C G G C G A T C G T C G – 3 ’
ARN messager : 5’ – AUGUUUACUCGGCGAUCGUCG – 3 ’
2) L’expérience révèle que les molécules d’ARNm matures sont plus courtes que la séquence d’ADN
qui lui a servi de matrice pour sa synthèse. Cela provient du fait que la maturation consiste
notamment en l’épissage d’introns (boucles d’ADN non hybridées avec l’ARNm mature) et le
raboutage d’exons (séquences d’ADN hybridées avec l’ARNm mature). Dans le cas présent,
l’expérience montre que le gène contient 5 introns et 6 exons.
E1 E3 E4 E5 E6 E2
I1
I2
I3
I4
I5
ARNm mature
E = Exon
I = Intron
Brin transcrit de l’ADN
Chapitre 5 :
Le réticulum endoplasmique et les ribosomes
1) Soit la séquence d’un ARNm mature :
5’-CAAGAUGAUUUCCAUUGGGUCCAUUGCGUAAGGUGA-3’ a) Combien de types d’ARNt différents seront nécessaires pour synthétiser le polypeptide
sachant que UGA, UAG et UAA sont les codons STOP.
b) De combien d’acides aminés le polypeptide final sera-t-il constitué ?
Justifiez vos réponses.
Conseil : Souvenez-vous comment la traduction démarre.
2) Soit la séquence nucléotidique d’un segment d’ADN :
5’ – AAGATGGTGCACCTGACTCCTTAGCGC – 3’
3’ – TTCTACCACGTGGACTGAGGAATCGCG – 5’
a) Identifiez le brin sens (ou brin codant).
b) Écrivez la séquence du brin anti-sens (ou brin matrice).
c) Écrivez la séquence de l'ARNm.
d) Quelle est la séquence en acides aminés du polypeptide obtenu ?
e) Quelle influence aurait la délétion de l’uridine en position 8 de l’ARNm sur la séquence en
acides aminés ?
Conseil : Souvenez-vous comment reconnaître le brin sens et le brin anti-sens.
3) Soit la séquence nucléotidique d’un segment d’ADN :
5’ – CTAACGATGGGTCCACGTGACTCCTTATAGCGC – 3’
3’ – GATTGCTACCCAGGTGCACTGAGGAATATCGCG – 5’
a) Quel est le brin sens ?
b) Quel est le brin anti-sens ?
c) Quelle est la séquence de l’ARNm ?
d) Quelle est la séquence du polypeptide codé par ce messager ?
e) Quelle serait l’influence de l’insertion d’une thymidine après la seconde guanosine dans le
brin sens de l’ADN sur la séquence en acides aminés ?
Conseil : Faites un tableau afin de bien aligner les séquences.
4) Un segment d’ARNm code le peptide Met–Thr–Phe–Ile–Trp. La délétion d’une base dans le
gène codant cet ARN génère le peptide suivant : Met–Pro–Ser–Tyr–Gly–Asn.
a) Au niveau de quel codon la délétion s’est-elle produite ?
b) Quelle position du codon original la délétion affecte-t-elle ?
c) Quelle est la séquence en bases des ARNm sauvage et muté ?
d) Quel serait l’impact de l’insertion d’une uridine après les 3 premières bases de l’ARN muté
sur la séquence en acides aminés ?
Conseil : Cet exercice est l’inverse des premiers exercices de ce chapitre. Faites un tableau avec les
différents codons qui peuvent correspondre aux acides aminés des deux séquences de l’énoncé.
Réponses :
1) a) La traduction d’un ARNm débute avec un codon initiateur, AUG, dans le sens 5’>3’ et se termine
au niveau d’un codon STOP. La séquence nucléotidique de l’ARNm renferme un codon initiateur,
5’-AUG-3’, et un codon STOP, 5’-UAA-3’, huit triplets nucléotidiques plus loin.