SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -
Antilles-Guyane, juin 2001
Corrigés


Partie 1 (8 points)

Sujet

Mécanismes de l'immunité

En vous limitant à la lignée des lymphocytes B, vous montrerez à chacune de ses étapes, le caractère spécifique de la réponse immunitaire à médiation humorale.
La réponse sera illustrée de schémas.
 
 

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Avant de commencer
L’induction (récepteurs), la communication cellulaire, la phase effectrice (anticorps) présentent un caractère spécifique.


Corrigé

Introduction
Les réponses immunitaires à médiation humorale, réponses mettant en jeu des anticorps circulants, les immunoglobulines, peuvent être déclenchées par des antigènes libres (molécules antigéniques, fragments de membranes) ou par des antigènes portés par des cellules (bactéries, globules rouges). Une telle réponse est déclenchée lorsque des lymphocytes B (LB) sont activés spécifiquement par un antigène. Au cours de la phase d’amplification, les LB activés expriment des récepteurs spécifiques pour des signaux de communication. Enfin, au cours de la phase effectrice, des anticorps spécifiques permettant la neutralisation des antigènes sont sécrétés par les plasmocytes issus de la transformation de LB. Chacune de ces étapes présente donc un caractère spécifique en raison des molécules exprimées par les cellules immunocompétentes, notamment par celles de la lignée des LB. Nous les examinerons successivement.
Phase d’induction
Les LB, cellules formées dans la moelle osseuse où elles acquièrent également leur immunocompétence, sont capables de reconnaître spécifiquement des antigènes circulants comme ceux portés par certains microorganismes. Cette capacité est liée à la présence de récepteurs membranaires, les récepteurs B, capables de lier un antigène de façon spécifique, chaque clone de LB ne reconnaissant qu’un seul antigène car il n'exprime qu’un seul type de récepteur B. La structure moléculaire des récepteurs B explique leur spécificité. Il s’agit d’anticorps membranaires constitués de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux, deux chaînes lourdes et deux chaînes légères. Chaque chaîne comporte une région constante et une région variable, les régions constantes des chaînes lourdes permettant la fixation à la membrane de la cellule, les régions variables étant responsables de la reconnaissance et de la liaison spécifiques avec l’antigène. Il existe une diversité immense des parties variables susceptibles de reconnaître une diversité immense d’antigènes. Le schéma ci-dessous présente la structure générale d’un anticorps. Les anticorps circulants, les immunoglobulines dont il sera question plus loin ont une structure de base similaire mais il s’agit de molécules libres.

Phase d’amplification
Les réponses immunitaires spécifiques nécessitent une coopération cellulaire au cours de laquelle des signaux chimiques, les cytokines, sont échangés entre les cellules. Seuls les LB activés expriment les récepteurs spécifiques des cytokines produites par les lymphocytes T auxiliaires. En outre, lors de cette étape, des contacts directs entre LT et LB peuvent également s’établir de façon spécifique. La stimulation de la lignée B donne alors naissance à un clone de plasmocytes. Le schéma ci-dessous résume ces relations.
Phase effectrice
Les plasmocytes issus de la transformation des LB activés sont des cellules qui sécrètent des anticorps circulants, molécules effectrices des réponses à médiation humorale. Au cours de la phase effectrice, la même spécificité que celle du récepteur B qui a déclenché la réponse s’exprime car les plasmocytes sont les descendants des LB stimulés initialement et ils appartiennent donc au même clone. De ce fait, les anticorps produits par les plasmocytes ont la même partie variable que le récepteur B et donc la même spécificité. Ils neutralisent uniquement les antigènes qui ont déclenché la réponse.
Conclusion
Toutes les étapes de la réponse immunitaire à médiation humorale sont marquées par leur caractère étroitement spécifique. Cette spécificité est liée aux caractéristiques des molécules exprimées notamment par les cellules de la lignée B.


Partie 2 (7 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

À partir de l’analyse des deux documents fournis et en complétant avec vos connaissances, indiquez quels sont les mécanismes de diversification du génome intervenant au cours de l’évolution.

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Avant de commencer
Les documents illustrent l’importance de la duplication génique (document 1) et celle des mutations (documents 2). Commencer par les mutations avant d’envisager les autres mécanismes, évolution des gènes dupliqués, recombinaisons de parties de gènes pour compléter l’analyse de la duplication génique.


Corrigé

Introduction
Les espèces vivantes évoluent au cours du temps comme le montre tout un ensemble d’arguments convergents, biologiques et paléontologiques. Cette évolution est liée notamment à l’évolution de leur génome. En nous appuyant sur les documents proposés et sur des informations complémentaires, nous montrerons que les mécanismes de diversification du génome correspondent à des accidents génétiques, principalement les mutations qui donnent naissance aux allèles d’un même gène et les duplications qui donnent naissance à des familles de gènes. En modifiant le génotype, ces mécanismes peuvent conduire à des innovations phénotypiques qui se transmettent ensuite au cours des générations si ils affectent les cellules germinales.
Les mutations
Le document 2 présente la séquence comparée des 57 premiers nucléotides de trois allèles du gène qui code la chaîne ? de l’hémoglobine humaine. On sait que les allèles d’un gène résultent de mutations. Une mutation est un événement aléatoire qui modifie la séquence de nucléotides d’un gène. On en connaît divers types. Le document illustre ainsi deux types de mutations différentes. L’allèle n°1 étant le plus répandu dans les populations humaines, on peut supposer qu’il s’agit de l’allèle le plus ancien dont les allèles 2 et 3 dériveraient par mutation. Pour ce qui concerne la partie de séquence présentée sur le document, l’allèle 2 est identique à l’allèle 1 à l’exception du nucléotide 47 qui comporte la guanine dans l’allèle 1 et l’adénine dans l’allèle 2. Il s’agit d’une mutation ponctuelle, plus précisément une substitution G ? A. Si le reste de la séquence est identique, les deux allèles ne diffèrent que par un codon ce qui est souvent sans conséquence sur la fonction de la protéine correspondante. Toutefois, dans certains cas, même une simple substitution peut être à l’origine d’une protéine dont la fonction normale est perturbée. C’est notamment le cas dans la drépanocytose, maladie génétique causée par un autre allèle du même gène qui diffère aussi de l’allèle 1 par la substitution d’un seul nucléotide.
Le document 2 montre également qu’une mutation ponctuelle peut avoir des conséquences beaucoup plus importantes sur la structure de la protéine correspondante. En effet, l’allèle 3 ne diffère de l’allèle 1 que par un seul nucléotide mais il s’agit ici d’une délétion. Compte tenu de la lecture de l’information génétique codon par codon, c’est à dire par groupes de trois nucléotides, une telle mutation introduit un décalage dans le cadre de lecture du gène qui va conduire à une protéine complètement différente de la protéine normale et donc certainement non fonctionnelle.
Ces deux exemples concernent des mutations affectant un seul nucléotide, mais on connaît aussi d’autres types de mutations, délétions de portions importantes d’un gène, insertions de nouvelles séquences, susceptibles de créer de nouveaux allèles. Enfin, d’autres mécanismes de diversification du génome sont connus comme la duplication génique illustrée par le document 1.
Duplication génique
L’analyse des gènes des globines humaines montre qu’ils constituent une famille multigénique résultant de la duplication de certains d’entre eux au cours de l’évolution. Le document 1 indique que l’hémoglobine A, protéine de transport du dioxygène présente dans les globules rouges, est un tétramère formé de quatre chaînes de globines identiques deux à deux. Comme le montre le document, on connaît trois gènes de globine appelés ?, ?, ? qui codent des globines différentes. Il ne s’agit pas d’allèles puisqu’ils sont situés à des locus différents voire sur des chromosomes différents. En fait, on sait qu’il existe d’autres gènes de globines appelés ?, ?, ?, et on connaît également des pseudogènes qui ne donnent naissance à aucune protéine mais dont la séquence présente de fortes similitudes avec celle des autres gènes de la famille. Le document montre que le pourcentage d’identité entre les séquences des gènes ?, ? et ? est important. Il est de 93 % entre ? et ?, qui sont donc très proches, de 59 % entre ? et ? et de 57 % entre ? et ? montrant que la distance évolutive est similaire entre ? et les deux autres gènes. En effet, les similitudes de séquence de gènes différents sont interprétées comme des indices de leur parenté évolutive. Le fait que la sous unité ? soit présente dans toutes les hémoglobines accrédite également son ancienneté. Sachant que les divergences de séquences résultent de mutations aléatoires dont la fréquence peut être considérée comme plus ou moins constante, on en déduit que le gène ? est le plus ancien et que les gènes ? et ? résultent d’une double duplication. D’abord du gène ? donnant un gène ancestral dupliqué ultérieurement en ? et ?. Chaque gène continuant à évoluer pour son propre compte, il accumule d’autant plus de mutations qu’il est plus ancien. Il en est de même pour les autres gènes de globine qui résultent de duplications soit du gène ? soit du gène ?. On a pu dater ces épisodes de duplication ce qui fait des familles multigéniques un outil intéressant pour l’étude de l’évolution.
Conclusion
Les mutations et les duplications géniques en introduisant des innovations génétiques constituent les principaux mécanismes de diversification du génome. Les mutations font apparaître de nouveaux allèles et les duplications de nouveaux gènes. Ces nouveaux gènes peuvent évoluer pour leur propre compte tandis que le gène initial peut continuer à remplir sa fonction.



Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

En reliant par un raisonnement logique les informations apportées par les documents 1 à 3, précisez la succession des mécanismes hormonaux à l’origine de l’absence de règles lors de la grossesse.

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Avant de commencer
Bien se limiter à ce qui est demandé sans faire appel à ses connaissances. Utiliser le document 2 pour montrer la cause normale des règles puis le document 1 expliqué par le document 3.


Corrigé

Introduction
Lorsqu’il n’y a pas de grossesse, le cycle féminin se termine par les règles, hémorragie due à l’élimination cyclique de la muqueuse utérine hypertrophiée. En revanche, lorsqu’une grossesse démarre, la muqueuse utérine reste fonctionnelle et les règles n’apparaissent pas. L’étude des documents va nous permettre de préciser les mécanismes hormonaux mis en œuvre. Après avoir identifié le mécanisme hormonal qui déclenche les règles (document 2), nous verrons celui qui en empêche l’apparition (document 1) ainsi que son origine hormonale (document 3).
Déclenchement hormonal des règles
Le graphique A du document 2 montre qu’au cours de la phase lutéale d’un cycle normal, il existe une corrélation entre l’arrêt de la sécrétion de progestérone et l’apparition des règles. L’étude expérimentale dont le résultat est indiqué par le graphique B montre que lorsque l’on inhibe artificiellement la sécrétion de progestérone, les règles apparaissent prématurément. On en déduit que la sécrétion de progestérone maintient fonctionnelle la muqueuse utérine et que l’arrêt physiologique de la sécrétion déclenche l’apparition physiologique des règles. Que se passe-t-il pendant la grossesse ?
Pendant la grossesse
Le document 1 présente les résultats du dosage urinaire du prégnandiol et des phénolstéroïdes, métabolites des hormones ovariennes qui reflètent respectivement la sécrétion de la progestérone et des œstrogènes. Chez cette femme, après un cycle stérile d’un mois, une grossesse a démarré. On constate que dès le début de la grossesse, le profil de sécrétion des hormones ovariennes est modifié. La concentration en prégnandiol, donc en progestérone, se maintient pendant deux semaines après la fin de la phase lutéale à un niveau élevé de 5 mg.L-1 puis commence à augmenter. Quant aux phénolstéroïdes, c’est à dire les œstrogènes, après le pic préovulatoire ils augmentent également. Comme on a vu que le déclenchement des règles est dû à l’arrêt de la sécrétion de progestérone, on en déduit que le maintien d’un taux élevé de progestérone empêche l’apparition des règles chez la femme enceinte. Quelle est l’origine de cette sécrétion de progestérone ?
Hormone chorionique gonadotrope (HCG)
Le document 3 montre qu’au début de la grossesse comme pendant le cycle, la progestérone est produite par le corps jaune. En effet, à la suite de l’implantation de l’embryon, on observe que de l’HCG est produite. Or cette hormone dont la concentration passe de 0 à 100 UA en deux jours après l’implantation maintient en activité les cellules du corps jaune. Comme c’est le corps jaune qui produit la progestérone, on en déduit que l’augmentation de la sécrétion de progestérone observée au cours de la grossesse est due à la sécrétion de HCG par l’embryon.
Conclusion
Ainsi, le fait que les règles ne se produisent pas lors de la grossesse est la conséquence d’une cascade de mécanismes hormonaux. La production de HCG par l’embryon maintient les cellules du corps jaune fonctionnelles. Ces cellules répondent par la sécrétion de progestérone. Le taux élevé de progestérone qui en résulte prévient l’apparition des règles en maintenant fonctionnelle la muqueuse utérine où se développe l’embryon.



Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Fonctionnement d’un système de régulation

Les maladies cardiovasculaires sont la cause la plus fréquente de mortalité dans les pays occidentaux. Au premier rang de ces décès, l’insuffisance cardiaque, c’est à dire l’incapacité du cœur à assurer la circulation du sang qui apporte le dioxygène à l’organisme. Cette maladie entraîne jusqu’à 30 000 décès par an en France. Chez certains de ces malades, la transplantation cardiaque est la solution indispensable à leur survie.
L’effecteur cardiaque est un élément important de la régulation de la pression artérielle. On a envisagé les mécanismes de contrôle de l’activité cardiaque chez le transplanté, pour cela, on a étudié l’évolution de différentes caractéristiques physiologiques au cours d’un effort.
À partir de l’étude et de la confrontation des documents, proposez une hypothèse permettant d’expliquer comment l’organisme du transplanté peut faire face à une diminution de la pression artérielle.

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Avant de commencer
Montrer d’abord comment se produit la régulation physiologique à l’aide des données expérimentales et du document 1 avant de faire l’hypothèse qu’il persiste une régulation hormonale chez le transplanté (documents 3 et 1) et de la confirmer avec le document 4.


Corrigé

Introduction
Le contrôle de la pression artérielle, notamment lorsque se produit une baisse de la pression artérielle, est assuré par divers mécanismes nerveux et humoraux. Chez le transplanté, le cœur est entièrement dénervé et le contrôle nerveux disparaît. Nous montrerons qu’il persiste néanmoins chez le transplanté une régulation humorale capable d’agir sur le cœur et donc sur la pression artérielle.
Le contrôle physiologique de la pression artérielle
Le document 1 présente le système mis en jeu lors de la régulation à court terme de la pression artérielle. Ce système comporte une composante nerveuse avec des récepteurs situés dans le sinus carotidien, des fibres afférentes (nerf de Hering) et des fibres efférentes parasympathiques (nerf vague) et orthosympathiques (cardiaque, artériolaire et vers les médullosurrénales). En cas de baisse de la pression artérielle détectée par les récepteurs du sinus, la correction sera effectuée par une réaction réflexe sur les effecteurs, cœur et vaisseaux. En effet, la pression artérielle dépend du débit cardiaque et des résistances artériolaires. Le document 2 permet de comprendre les mécanismes nerveux de ce contrôle.
Étude expérimentale
Le document montre le résultat sur la fréquence cardiaque d’expériences de stimulation et de section des nerfs cardiaques chez le chien. La fréquence normale est de 75 battements par minute (b/min). Une stimulation du vague provoque une diminution de la fréquence qui passe à 30 b/min avant de revenir à sa valeur normale. Au contraire, une stimulation des nerfs sympathiques fait passer la fréquence de 75 à 125 b/min. Il s’agit donc respectivement de nerfs cardiomodérateurs et cardioaccélérateurs comme le confirme leur section : la section des nerfs vagues fait passer le rythme cardiaque de 75 à 110 b/min et celle des nerfs sympathiques de 110 à 100 b/min. Ceci montre en outre que le nerf vague exerce en permanence un effet cardiomodérateur et l’orthosympathique un effet modéré sans lesquels le rythme cardiaque serait égal à 110 b/min. Dans ces conditions, une baisse de la pression artérielle détectée par les barorécepteurs devrait se traduire par une accélération de la fréquence cardiaque résultant de la stimulation du sympathique et de l’inhibition du parasympathique. Qu’en est-il chez le patient transplanté qui ne dispose pas de nerfs cardiaques ?
Le cas du transplanté
Le schéma du document 1 montre qu’il existe un système hormonal de contrôle capable d’agir sur le cœur et les vaisseaux, c’est à dire sur les effecteurs de la pression artérielle. Il s’agit des catécholamines adrénaline et noradrénaline sécrétées par les glandes médullosurrénales qui agissent sur le cœur et les vaisseaux comme indiqué dans le document 4. Or le document 3 montre qu’il existe une adaptation cardiaque à l’effort chez le transplanté, donc qu’un mécanisme de régulation capable d’agir sur le cœur existe. Au repos, la fréquence cardiaque d’un sujet transplanté est proche de 110 b/min alors qu’elle n’est que de 85 b/min chez un sujet normal. Cet effet peut être attribué à l’absence de nerfs cardiaques comme on l’a vu ci-dessus. Au cours d’un exercice d’intensité croissante, on constate que la fréquence cardiaque du transplanté augmente avec l’effort bien que plus lentement par rapport au sujet normal. En outre, le maximum atteint est de 130 b/min contre 145 b/min chez le sujet normal. Enfin, la récupération est plus lente. Il existe donc bien une régulation cardiaque chez le transplanté en l’absence d’innervation du cœur suggérant une voie humorale. De plus, le fait que cette régulation soit moins rapide et que la récupération soit plus lente conforte cette hypothèse. Le document 4 permet de la confirmer.
Régulation hormonale
Le document 4 montre que la sécrétion des catécholamines chez le sujet transplanté augmente considérablement lors d’un effort par rapport au sujet normal. La concentration plasmatique en catécholamines passe en effet de 300 pg.mL-1 au repos dans les deux cas à près de 2 000 pg.mL-1 lors d’un exercice de 50 W en 3 minutes alors qu’elle n’augmente pas dans ce cas chez le sujet normal et à plus de 2 000 pg.mL-1 lors d’un exercice de 100 W en 3 minutes alors qu’elle atteint seulement 400 pg.mL-1 chez le sujet normal. On en déduit que chez le transplanté, la sécrétion de catécholamines par les glandes surrénales est susceptible de compenser partiellement l’absence de nerfs cardiaques. Ceci explique l’accélération cardiaque observée lors d’un exercice chez le transplanté.
Conclusion
Ainsi, l’hypothèse d’un contrôle hormonal de la fréquence cardiaque est vérifiée et ce contrôle résulte de la sécrétion des catécholamines par les médullosurrénales. En cas de baisse de la pression artérielle, on peut donc faire l’hypothèse que l’organisme du transplanté réagisse par une sécrétion accrue de catécholamines qui en accélérant la fréquence cardiaque et en exerçant une action vasoconstrictrice sur les artérioles est susceptible de rétablir la pression artérielle. Toutefois le problème du stimulus déclencheur n’est pas résolu alors que les connexions nerveuses avec les barorécepteurs sont supprimées.


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