Préparation au bac 2003

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -

Corrigé sujet 11 

(En raison de l'absence de sujet des années précédentes due au changement de programme en SVT intervenu à la rentrée 2002, les sujets ci-dessous destinés à la préparation du bac 2003 ont été reconstitués arbitrairement à partir de sujets des années précédentes ou de sujets inédits. L'équilibre des thèmes et des questions est en accord avec les instructions officielles.

Partie 1 (10 points) Exposé organisé de connaissances (obligatoire et spécialité)

Immunologie
D'après Antilles-Guyane, juin 2001

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.

Corrigé

Introduction
Les réponses immunitaires à médiation humorale, réponses mettant en jeu des anticorps circulants, les immunoglobulines, sont déclenchées lorsque des lymphocytes B (LB) sont activés spécifiquement par un antigène (sélection clonale). 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 des LB. Chacune de ces étapes présente donc un caractère spécifique qui s'explique par les caractéristiques des  molécules exprimées par les cellules immunocompétentes, notamment par celles de la lignée des LB. Nous les examinerons successivement.

Phase d’induction
Les LB 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 permettent la fixation de la molécule à la membrane du lymphocyte tandis que les régions variables sont responsables de la reconnaissance spécifique de l’antigène et de sa liaison. Il existe une diversité immense des parties variables qui sont donc 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.
 

La liaison d'un antigène au récepteur B d'un LB constitue un signal d'activation aboutissant à la formation d'un clone de LB de même spécificité. C'est la sélection clonale.
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 des lymphocytes T auxiliaires. La stimulation de la lignée B donne alors naissance à un clone de plasmocytes et à des LB mémoire. Le schéma ci-dessous résume ces relations.


 
Phase effectrice
Les plasmocytes issus de la transformation des LB activés sécrètent des anticorps circulants, les immunoglobulines, molécules effectrices des réponses à médiation humorale dont on a vu ci-dessus qu'elles ont une structure moléculaire semblable à celle des récepteurs B. 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 donc marquées par leur caractère étroitement spécifique vis à vis de l'antigène détecté. Cette spécificité est due à la présence de régions variables dans les molécules exprimées par les cellules de la lignée B, récepteurs B et anticorps circulants. 

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Partie 2-1 (4 points) Exploitation de documents et connaissances (obligatoire et spécialité)

Parenté entre les êtres vivants actuels et fossiles, phylogenèse, évolution 
D'après Antilles-Guyane, juin 1999

L'idée d'évolution repose sur des arguments et des mécanismes que vous présenterez en vous fondant sur l'exploitation du document. 

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Corrigé

Introduction
L'idée d'évolution découle d'un ensemble d'arguments suggérant des relations de parenté entre les espèces vivantes. Ces arguments résultent d'observations concernant tous les degrés d'organisation du vivant depuis les molécules jusqu'aux populations. Les informations tirées du document présenté constituent des arguments en faveur de l'évolution qui concernent le niveau moléculaire. 

Document
Dans un taxon, comme ici celui des Vertébrés, on trouve des protéines homologues, c'est à dire des protéines codées par des gènes homologues qui descendent d'un gène ancestral au cours de l'évolution. Ainsi, l'hormone insuline existe chez tous les Vertébrés depuis les plus anciens (Poissons) jusqu'aux plus récents (Homme). En outre, elle remplit la même fonction hypoglycémiante chez chacun d'entre eux. On constate que la séquence de l'insuline diffère entre les trois espèces de Vertébrés par un certain nombre d'acides aminés. Si on les compare à celle de l'homme, l'insuline de myxine en diffère par 6 acides aminés sur la chaîne A et par 14 acides aminés sur la chaîne B alors que celle du bœuf n'en diffère que par 2 acides aminés sur la chaîne A seulement. En outre, l'insuline de bœuf est fonctionnelle chez l'homme où on peut l'utiliser pour corriger le diabète sucré. Or la séquence des protéines est dictée par celle des gènes et les acides aminés qui diffèrent aux mêmes positions révèlent des mutations au sein des codons correspondants.
On considère que l'évolution des gènes conditionne celle de l'espèce puisqu'un caractère est héréditaire s'il est conditionné par un ou plusieurs gènes. Or, l'information contenue dans les gènes, leur séquence, est traduite dans les protéines qu'ils codent en une séquence d'acides aminés. Aussi, l'évolution d'un gène peut être suivie dans la séquence de la protéine correspondante. À partir d'un gène "ancêtre", les différences s'accumulent au cours du temps et sont d'autant plus nombreuses que les espèces ont évolué plus longtemps séparément. L'insuline de bœuf est plus proche de l'insuline humaine que de celle de la myxine car l'ancêtre commun aux différents groupes de Vertébrés est plus ancien que l'ancêtre commun aux différents groupes de Mammifères apparu plus récemment. En outre, l'insuline de la myxine diffère moins de celle de l'ancêtre commun des Vertébrés que de celle de l'ancêtre des Mammifères qui restent tous assez proches comme le montre le fait que l'insuline de bœuf reste fonctionnelle chez l'homme. C'est pourquoi le nombre de mutations accumulées au cours du temps dans la séquence d'un gène peut servir d'horloge moléculaire pour évaluer la plus ou moins grande ancienneté de la divergence d'un arbre phylogénétique.

Conclusion
L'idée d'évolution repose notamment sur les observations suggérant une parenté entre les espèces. L'étude des séquences géniques montre que le nombre de mutations qui différencie les gènes homologues chez des espèces différentes est d'autant plus élevé que les espèces diffèrent. Ceci suggère une accumulation de mutations au cours du temps susceptible de rendre compte des parentés et des phénomènes évolutifs. Si les documents étudiés concernent les protéines, bien d'autres arguments relevant de la paléontologie, de l'anatomie comparée, de la génétique, de l'embryologie de la biochimie, etc. accréditent également l'idée d'évolution qui s'impose désormais même si tous ses mécanismes ne sont pas encore élucidés.

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Partie 2-2 (6 points) Exploitation de documents et méthodes (enseignement obligatoire)

Procréation 
D'après Antilles-Guyane, juin 2001 

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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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. 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 celle 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. 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 qui remplit la même fonction que la LH hypophysaire dont la concentration chute en fin de cycle.

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.

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Partie 2-2 (6 points) Exploitation de documents et méthodes (enseignement de spécialité)

Diversité et complémentarité des métabolismes 
Sujet inédit

Les levures sont des champignons unicellulaires capables de vivre en présence comme en absence d'oxygène gazeux. 
En mettant en relation les informations tirées des documents proposés, comparer les caractéristiques de ces deux modes de vie chez les levures et localiser sur le document 3 les principales réactions métaboliques impliquées.

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Corrigé

Introduction
Selon les conditions, les levures sont capables d'utiliser des substrats organiques carbonés pour fermenter ou pour respirer. Comme le montrent les équations bilan (document 1), ces deux types de métabolisme diffèrent notamment par leur efficacité énergétique puisque l'énergie fournie par une mole de glucose lors de la fermentation ne représente que 5 à 6 % de celle fournie par la respiration. Nous allons montrer que bien d'autres caractéristiques distinguent ces deux modes de vie.

Au niveau cellulaire
Le document 3 montre que les cellules qui respirent possèdent des mitochondries contrairement à celles qui fermentent. Les mitochondries sont en effet les organites respiratoires de la cellule. Ceci montre que les levures sont capables de développer leurs mitochondries lorsque c'est nécessaire. Cette observation peut être mise en relation avec le document 2 pour distinguer métabolismes respiratoire et fermentaire.

Les deux métabolismes de la levure
Lors d'une culture sur un milieu aéré riche en glucose, il est indiqué que la respiration est inhibée tant que la concentration en glucose dépasse 1 g.L-1. Ceci confirme que les cellules dépourvues de mitochondries prélevées à t = 2 h étaient en fermentation. Elles se sont cependant multipliées, atteignant 8 unités de croissance à t = 10 h. Elles produisaient alors de l'éthanol par fermentation alcoolique. À partir de ce moment, la concentration en glucose est devenue suffisamment faible pour que la respiration démarre. Après une période de transition, une fois le glucose épuisé, les cellules ont utilisé ensuite l'éthanol comme substrat de la respiration et ont continué à se multiplier. L'observation à t = 20 h de cellules pourvues de mitochondries confirme leur caractère respiratoire.

Bilan
Le tableau du document 4 montre la plus grande efficacité de la respiration. Pour une même quantité de glucose consommé (2 g), la biomasse formée par respiration est de 0,6 g contre 0,02 g par fermentation soit 30 fois plus. Ceci est dû notamment au fait que la fermentation libère un sous produit, l'éthanol (0,46 g), encore riche en énergie potentielle. Toutefois, la respiration a consommé plus de 1 g d'oxygène gazeux soit 0,75 L ce qui suppose un milieu bien aéré.

Conclusion
Par ses capacités à vivre en présence ou en absence d'air, la levure peut exploiter au mieux son milieu. Quand il y a beaucoup de sucre, elle le consomme rapidement par fermentation et libère de l'éthanol. Lorsque le sucre est épuisé, elle peut utiliser l'éthanol comme substrat de la respiration si le milieu est suffisamment aéré. Toutefois, l’efficacité énergétique de la respiration est très supérieure à celle de la fermentation alcoolique.

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