Métropole. Série S - Septembre 1996

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 (enseignement obligatoire) ou 8 (enseignement de spécialité en SVT)

CORRIGES



PARTIE I : (8 points)

Mécanismes de l’immunité : les bases de l’immunocompétence

La réponse immunitaire spécifique de l'organisme à l'apparition du non-soi fait intervenir différentes catégories de cellules immunocompétentes possédant des caractéristiques moléculaires qui leur confèrent des propriétés de reconnaissance, d'information et des propriétés effectrices.

Vous exposerez vos connaissances sur la catégorie des lymphocytes T en précisant les relations entre leurs caractéristiques moléculaires et leurs propriétés, et en illustrant votre exposé par des schémas.



Avant de commencer

La construction du plan est rendue simple en raison des indications données dans le sujet : recherchez les étapes des réactions immunitaires au cours desquelles sont mises en jeu les trois types de propriétés indiquées pour les lymphocytes T. Identifiez les molécules impliquées pour les mettre en relation avec les fonctions correspondantes de façon à montrer en quoi des molécules particulières des lymphocytes T sont responsables de leurs caractéristiques de cellules immunocompétentes.


CORRIGE

Introduction

Les réponses immunitaires spécifiques qui se déclenchent lorsqu’un antigène est détecté par le système immunitaire sont assurées par la coopération de divers types de cellules immunocompétentes, parmi lesquelles les lymphocytes. Les lymphocytes constituent un sous-ensemble de globules blancs et appartiennent à deux grandes familles, les lymphocytes B (LB) et les lymphocytes T (LT). Ces derniers peuvent être répartis en sous-populations qui diffèrent par leurs caractéristiques moléculaires et par leurs fonctions. Après avoir rappelé ce qui caractérise les LT, nous essayerons de montrer que les fonctions qu’ils assurent sont liées à leurs caractéristiques moléculaires.

I- Les lymphocytes T et la reconnaissance des antigènes

1) Origine et caractéristiques

Nés dans la moelle osseuse comme tous les leucocytes, les lymphocytes se différencient en LB ou en LT. Certains d’entre eux gagnent le thymus où ils acquièrent leur immunocompétence avant d’aller coloniser les organes lymphoïdes secondaires comme les ganglions lymphatiques et la rate. Les autres lymphocytes qui ne subissent pas de maturation dans le thymus deviennent des LB.

Il existe plusieurs catégories de LT mais tous les LT possèdent en commun un type de molécule, le récepteur T, ainsi que d’autres molécules de surface (CD2, CD3). Ce répertoire de marqueurs de surface caractérise les LT et permet de les distinguer des LB.

2) Le récepteur T et les fonctions de reconnaissance

Le récepteur T est une molécule de surface propre aux LT. Il leur permet de reconnaître un antigène à condition qu’il soit associé aux molécules du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) d’une cellule présentatrice d’antigène (CPA). Toutefois, la reconnaissance du CMH dépend également d’autres marqueurs définissant les sous-populations de LT et nous les examinerons plus loin car ils interviennent aussi dans d’autres fonctions.

Le récepteur T est une protéine membranaire formée par l’association de deux chaînes polypeptidiques différentes (a et b ) liées de façon covalente. Chaque chaîne possède une région constante et une région variable. Les parties constantes permettent l’ancrage de la molécule dans la membrane du lymphocyte tandis que les parties variables reconnaissent spécifiquement un antigène et permettent au LT de s’y lier (schéma 1).

Ainsi, chaque clone de LT ne reconnaît qu’un seul antigène mais on parle de double reconnaissance car l’antigène doit être lié aux molécules HLA caractérisant le soi pour être reconnu : les antigènes libres ne peuvent être reconnus par les LT.

C’est donc la présence d’une catégorie de récepteurs membranaires, le récepteur T, qui confère aux LT une de leurs caractéristiques essentielles, la capacité à reconnaître un antigène spécifique.

Cette capacité de reconnaissance spécifique d’un antigène permet aux LT d’intervenir dans pratiquement tous les types de réactions immunitaires spécifiques. Ainsi, dans les réactions à médiation cellulaire, des LT auxiliaires (LTh, h pour " helper ") interviennent pour stimuler une autre catégorie de LT, les LT cytotoxiques (LTc) qui interviennent comme effecteurs de ce type de réponse. Enfin, les LTh peuvent intervenir aussi dans les réactions à médiation humorale pour amplifier la réponse des LB et sans doute dans la mémoire immunitaire. Examinons ces catégories de LT, leurs caractéristiques moléculaires et leurs propriétés.
 
 

II- La communication intercellulaire

Outre les récepteurs T que possèdent tous les LT, les LTh sont caractérisés par l’existence d’un marqueur particulier, le CD4 et sont appelés LT4 pour cette raison.

Le CD4 est une protéine membranaire nécessaire pour la reconnaissance simultanée du soi (défini par les molécules HLA codées par le CMH de la CPA) et de l’antigène par le récepteur T (voir schéma 1). Il rend ainsi possible la liaison entre une CPA et le LT4. Ainsi, les LT4 ne peuvent reconnaître qu’un antigène associé au même CMH que le leur. En outre, la liaison entre LT et CPA déclenche un échange d’informations entre les deux cellules par l’intermédiaire du CD4 : le CD4 intervient aussi dans la communication intercellulaire.

Prenons l’exemple d’une réaction à médiation cellulaire au cours de laquelle intervient une autre catégorie de LT, les LT8.

1) Les échanges de messages

La liaison du LT à une CPA déclenche la production de messagers intercellulaires, les cytokines. Ainsi, les CPA activées par la liaison avec un LT4 sécrètent des interleukines qui stimulent les LT4. Ceux-ci répondent en se multipliant et sécrètent alors d’autres cytokines qui ont pour effet de stimuler les cellules effectrices. Ceci conduit à une amplification de la réponse immunitaire. La propriété des LT4 de stimuler d’autres cellules correspond donc à leur capacité à produire des cytokines, messagers chimiques qui agissent sur des cellules cibles.

Les cellules cibles sont celles possédant les récepteurs spécifiques des cytokines. Il s’agit de molécules de surface dont la liaison avec le messager conduit à la stimulation de la cellule cible. L’action des cytokines est d’autant plus marquée qu’elles ont aussi le plus souvent pour effet de stimuler la formation des récepteurs correspondants chez les cellules cibles.

Ainsi, l’existence de ces messagers chimiques et de leurs récepteurs rend possible un véritable " dialogue moléculaire " entre cellules du système immunitaire. Les propriétés de communication des LT4 dépendent donc des molécules particulières qu’ils produisent.

Les LT8, à l’origine des cellules effectrices des réactions à médiation cellulaire, interagissent avec les CPA d’une manière analogue à celle vue pour les LT4 avec lesquels ils échangent également des messages. Ils sont caractérisés par la présence d’un marqueur de surface, le CD8. Avant de se différencier en cellules effectrices, ces lymphocytes sont qualifiés de pré Tc. Ils reconnaissent l’antigène par des mécanismes analogues à ceux mis en jeu par les LT4 : le CD8 associé au récepteur T permet à ces cellules de reconnaître sur la CPA un antigène associé aux marqueurs du CMH. De même, la sécrétion d’interleukines par la CPA mais aussi par les LT4 stimulés par le même antigène conduit à la différenciation de ces cellules en cellules effectrices, les LT cytolytiques ou LTc. Cette capacité est donc liée à la présence des récepteurs spécifiques des cytokines émises par les CPA et les LT4.

2) Phase effectrice

Une fois activés, les LTc prolifèrent sous l’action des cytokines produites par les LT4 et se lient aux cellules cibles portant l’antigène (à l’origine de leur activation) associé au CMH. Les LTc peuvent ainsi s’attaquer à des cellules dont le soi a été modifié par un germe intracellulaire (virus, bactérie) ou par un phénomène tumoral. La reconnaissance et la liaison s’effectuent ici encore par leur récepteur T et leur CD8. En outre, les LTc détruisent leur cible par l’intermédiaire d’une protéine qu’ils sécrètent. Elle est capable de percer la membrane de la cellule cible et est qualifiée pour cela de perforine.

Ici encore, on constate que des molécules particulières sont responsables des fonctions spécialisées des LTc. Le schéma 2 résume ces mécanismes.

L’étude d’un autre exemple comme la participation des LT4 aux réactions à médiation humorale mettrait en évidence les mêmes propriétés : communication intercellulaire à la suite d’une reconnaissance fondée sur des protéines de surface, dialogue chimique par cytokines et récepteurs spécifiques.

Conclusion

Les LT forment une population de cellules immunitaires spécialisées intervenant dans pratiquement toutes les réponses spécifiques. Par les capacités de reconnaissance d’un antigène associé au CMH que leur confère le récepteur T associé à d’autres marqueurs comme le CD4 et le CD8, ils sont en mesure de détecter du non soi ou du soi modifié sur les CPA et sur les cellules cibles. La présence sur leur membrane de récepteurs pour les cytokines et leur capacité à en sécréter leur permettent de coopérer avec les autres cellules immunitaires. Enfin, la sécrétion de protéines spécialisées permet aux LT8 de détruire les cibles cellulaires.

Ainsi, si tous les LT sont caractérisés par la présence d’un marqueur de surface, le récepteur T, chaque fonction spécialisée assurée par les sous populations (LT4 , LT8) dépend de molécules particulières et donc, de l’activation de gènes particuliers. Il en est probablement de même des lymphocytes T impliqués dans la mémoire immunitaire.


PARTIE II : (7 points)

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants





...

Identifiez dans les documents 1 et 2 les informations qui permettent :

- d’argumenter en faveur de la parenté entre les quatre espèces de primates considérées ;

- d’expliquer l’apparition, à partir d’une espèce, de deux espèces nouvelles incapables de s’hybrider ou de fournir des hybrides féconds.

Représentez schématiquement les relations de parenté qui, en l’absence d’information complémentaire, pourraient être celles existant entre les quatre espèces concernées par le document 2.

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Avant de commencer

Il s’agit de retrouver dans les documents des similitudes de nature cytogénétique (chromosomes) et moléculaire (chaînes de l’hémoglobine) en faveur de liens de parenté entre les primates concernés. En outre, il faut aussi y trouver des différences permettant d’expliquer l’absence d’interfécondité de deux espèces nouvelles formées à partir d’un ancêtre commun (isolement reproductif). Enfin, en raison de l’absence d’informations supplémentaires, le schéma des relations de parenté à établir ne peut être fondé que sur l’analyse des chaînes de l’hémoglobine et le nombre de chromosomes.


CORRIGE

Introduction

L’espèce est définie par un critère d’interfécondité. Lorsque des organismes considérés comme proches en raison de ressemblances morphologiques, anatomiques, cytogénétiques et moléculaires sont incapables de se reproduire entre eux et d’avoir des descendants interféconds, on considère qu’ils appartiennent à des espèces différentes.

Au cours de l’évolution, de nouvelles espèces se forment à partir d’une lignée ancestrale.

Plus la divergence à partir de l’ancêtre commun est récente et plus les ressemblances sont importantes. On peut ainsi mesurer le degré de parenté entre les espèces. Qu’en est-il chez les primates lorsque l’on s’appuie sur l’analyse des caryotypes et des séquences de chaînes protéiques de l’hémoglobine ?

1) Parenté entre Homme, Chimpanzé, Gorille et Orang-outang

Au cours de l’évolution des espèces, les modifications enregistrées dans la séquence des gènes s’accumulent au cours du temps : plus le nombre de différences est important et plus la divergence entre les espèces à partir d’un ancêtre commun est ancienne. Les protéines sont les produits de l’expression des gènes et la séquence des acides aminés des premières est dictée par celle des nucléotides des seconds. C’est pourquoi la comparaison des séquences protéiques donne une idée de la distance évolutive qui sépare deux espèces.

Les chaînes a , b et g de l’hémoglobine ne présentent aucune différence entre l’Homme et le Chimpanzé alors que le Gorille montre une différence dans la chaîne b et une dans la chaîne g et l’Orang-outan une différence dans a , deux dans b et une dans g . En outre, les modifications observées chez l’Orang-outan affectent pour la plupart des acides aminés qui restent identiques chez les trois autres espèces impliquant une parenté plus proche entre elles. A ces ressemblances entre molécules s’ajoutent des ressemblances morphologiques et anatomiques. Ceci montre que ces quatre espèces de primates sont apparentées. Parmi les singes anthropomorphes, le Chimpanzé est le plus proche de l’homme et le Gorille est plus proche du Chimpanzé que de l’Orang-outang. L’analyse des caryotypes de l’Homme et du Chimpanzé conforte ce point de vue. L’Homme possède 46 chromosomes alors que le Chimpanzé en possède 48 et la disposition des bandes sur ces chromosomes montre que le chromosome 2 de l’Homme résulte de la fusion de deux chromosomes de Chimpanzé. Les autres singes anthropomorphes possèdent 48 chromosomes comme le Chimpanzé et sont donc plus proche de lui que de l’Homme.

2) Apparition d’espèces nouvelles

L’Homme et les trois espèces de singes anthropomorphes sont apparentés mais ils appartiennent à des espèces différentes puisqu’ils ne peuvent se reproduire entre eux. Leur cas permet d’illustrer certains mécanismes aboutissant à cet isolement reproducteur.

Les caryotypes de l’Homme et du Chimpanzé présentent un nombre de différences limité. Plus de la moitié des chromosomes sont identiques entre les deux espèces tandis que trois additions de matériel et neuf inversions modifient la structure de dix d’entre eux. Si la constitution en bandes des chromosomes reste très similaire, certaines modifications subies par les chromosomes peuvent expliquer la non fécondité des hybrides. Ainsi, la différence du nombre de chromosomes qui se traduit par une garniture haploïde différente entre les gamètes mâle et femelle conduit à un nombre impair de bivalents lors de la prophase I de la méiose empêchant son bon déroulement. De même, les inversions (comme celles des chromosomes 9 et 17) l’addition de matériel à un chromosome (chromosome 1) ou la délétion de matériel (chromosomes 13 et 18) peuvent gêner le bon appariement des chromosomes et donc le déroulement de la méiose. De plus, en cas d’échanges méiotiques entre les chromatides, ces modifications peuvent conduire à l’inactivation de gènes dont les éléments ne sont plus en continuité. Il en résulte que des changements comme ceux différenciant les chromosomes de l’Homme et du Chimpanzé conduisent à des lignées devenues incapables de se reproduire. Même si des descendants pouvaient se développer, ils seraient stériles comme ceux obtenus par le croisement du cheval et de l’ânesse.

3) Schématisation des relations de parenté

Compte tenu des informations précédentes Homme et Chimpanzé ont la parenté la plus proche. Le Gorille a une parenté proche avec le Chimpanzé et plus éloignée avec l’Orang-outan. le schéma présente une interprétation de ces relations.

Homme Chimpanzé
                                           Gorille
                                                              Orang-outan


PARTIE III : Enseignement obligatoire (5 points)

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

...

Montrez en quoi les données expérimentales du document 2 permettent de comprendre la genèse des messages nerveux.

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Avant de commencer

Même si vous n’avez jamais étudié les récepteurs auditifs, ne vous laissez pas troubler : il s’agit de retrouver les principes généraux de la genèse des messages nerveux par les récepteurs sensoriels qui ont pu être étudiés sur un autre exemple. Il faut donc étudier comment varie le potentiel de membrane de ces cellules à la suite de stimulations et comment naissent les messages nerveux qui résultent de ces variations.


CORRIGE

Introduction

La genèse des messages nerveux dans les récepteurs sensoriels est liée aux variations du potentiel transmembranaire des cellules neurosensorielles. Les données des documents permettent d’expliquer ce qui se produit lorsque les cellules auditives ciliées sont stimulées par des vibrations sonores.

L’enregistrement en O1 du document 2b montre que lorsque la cellule ciliée connectée à une fibre du nerf auditif par une synapse est stimulée par une vibration sonore de fréquence 52 Hz, elle répond par des potentiels de fréquence identique ayant l’allure caractéristique d’un potentiel de récepteur (dépolarisation progressive jusqu'à un seuil suivie de l’émission d’un potentiel d’action). En outre, l’enregistrement en O2 montre que la fibre est parcourue par des trains d’ondes (paquets de 5 potentiels d’action) chaque fois que la cellule neurosensorielle émet un potentiel d’action. Compte tenu des relations synaptiques entre les deux éléments (document 2a), les messages auditifs qui parcourent les fibres du nerf naissent à la suite de la stimulation de ces fibres par les vésicules synaptiques présentes au pôle basal de la cellule neurosensorielle lorsqu’elle est stimulée par le déplacement des cils induit par une vibration sonore. Les fibres auditives sont donc des dendrites et elles conduisent des trains d’onde avec une fréquence identique à celle des potentiels d’action émis par la cellule ciliée, celle de la fréquence des vibrations sonores.

Les enregistrements du document 2a permettent de comprendre quelles stimulations sont efficaces pour donner naissance aux messages auditifs.

Lorsque les cils de la cellule ciliée sont déplacés mécaniquement dans le sens 1, on observe une dépolarisation locale de sa membrane inférieure à 10 mV. Cette dépolarisation est inférieure au seuil puisque l’on n’observe aucun potentiel d’action. Parallèlement, l’activité de la fibre auditive n’est pas modifiée par rapport au repos avec une fréquence d’émission des potentiels d’action de 36 Hz. L’absence d’émission de potentiel d’action par la cellule ciliée, élément présynaptique, ne permet pas d’augmenter l’activité de la fibre auditive.

Lorsque la stimulation se fait dans le sens 2, on assiste à une hyperpolarisation de la cellule ciliée d’une dizaine de mV. Elle se traduit sur la fibre auditive par une diminution de moitié de la fréquence d’émission de repos.

Au contraire, lorsque 2 stimulations sont successivement portées dans le sens 1, la cellule ciliée répond par une dépolarisation qui dépasse 10 mV et donne naissance à un potentiel d’action. La cellule ciliée répond donc préférentiellement aux stimulations mécaniques répétitives, ce qui est le cas des vibrations sonores, plutôt qu’aux stimulations isolées. La réponse de la fibre auditive dont la fréquence d’émission augmente montre que le potentiel d’action de la cellule ciliée a conduit à l’émission accrue d’un neurotransmetteur excitateur dans l’espace synaptique. Ce neurotransmetteur a stimulé la fibre auditive, élément postsynaptique, qui répond par une augmentation de sa fréquence d’émission des potentiels d’action.

Ainsi, les vibrations sonores modifient le potentiel de membrane des cellules ciliées qui répond en émettant des potentiels d’action de même fréquence. Ces potentiels conduisent à la stimulation de la fibre auditive après relais synaptique ce qui donne naissance aux messages auditifs constitués de trains d’onde dont la fréquence est la même que celle du son entendu.


PARTIE III : Enseignement de spécialité (5 points)

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

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Exploitez les informations fournies par les documents 1, 2, 3 et 4 pour proposer une explication du fonctionnement d’un motoneurone tel que celui figuré au document 2.

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Avant de commencer

Il s’agit principalement d’ordonner les informations fournies pour montrer que le fonctionnement du motoneurone présenté dépend, comme celui de tous les neurones, des modifications de son potentiel de membrane imposées par les mouvements d’ions. Le neurone intègre les informations délivrées au synapses par l’action des neurotransmetteurs sur différents canaux ioniques.


CORRIGE

Introduction

La capacité des motoneurones à émettre des potentiels d’action provoquant la contraction musculaire est liée aux variations de leur potentiel transmembranaire dues à des mouvements d’ions. Ces variations dépendent notamment de l’action d’autres neurones qui établissent des synapses excitatrices ou inhibitrices avec les motoneurones.

La membrane plasmique des neurones est polarisée : elle porte des charges positives sur sa face extracellulaire et des charges négatives sur sa face intracellulaire et sépare le milieu extracellulaire, riche en ions sodium et chlorure, du milieu intracellulaire, riche en ions potassium (document 4a). La capacité d’un neurone à émettre un message est liée à une dépolarisation transitoire de sa membrane provoquée par un afflux d’ions sodium à travers des canaux ioniques membranaires. Le motoneurone du document 2 reçoit deux terminaisons synaptiques. Les enregistrements du document 2 montrent que la terminaison du neurone 1 est inhibitrice puisque sa stimulation entraîne une hyperpolarisation du motoneurone et l’absence de potentiel propagé sur son axone alors que la terminaison du neurone 2 est stimulatrice puisque sa stimulation entraîne la dépolarisation du motoneurone et l’émission d’un potentiel d’action le long de son axone.

Lorsque les deux stimulations sont appliquées simultanément, la dépolarisation du motoneurone n’atteint pas le seuil et aucun potentiel d’action ne se propage. La sommation spatiale de ces deux signaux contradictoires ne permet pas l’émission d’un potentiel d’action. Toutefois, si cette double stimulation inefficace est suivie d’une stimulation du neurone 2, le motoneurone répond par un potentiel d’action car il y a alors sommation temporelle, la dépolarisation supplémentaire permettant d’atteindre le seuil.

Les données du document 3 permettent d’expliquer le comportement du motoneurone. L’injection de GABA en F1 produit une hyperpolarisation du motoneurone comme la stimulation du neurone 1 alors qu’elle est sans effet en F2. Inversement, l’injection d’acétylcholine en F2 provoque une dépolarisation du motoneurone comme la stimulation du neurone 2 alors qu’elle est sans effet en F1. On peut donc supposer que le neurone 1, inhibiteur, est un neurone GABAergique alors que le neurone 2, excitateur, est un neurone cholinergique. L’action de ces neuromédiateurs sur le motoneurone s’explique par la présence de canaux ioniques spécifiques dans sa membrane (document 4b). En présence de GABA, le canal spécifique s’ouvre provoquant ainsi l’entrée d’ions Cl- ou la sortie d’ions K+ aboutissant à une hyperpolarisation du motoneurone qui s’oppose à sa stimulation. Inversement, en présence d’acétylcholine, le canal spécifique s’ouvre laissant entrer les ions Na+ ce qui conduit à la dépolarisation du motoneurone. En effet, la concentration différente de ces ions de part et d’autre de la membrane leur impose ce sens de diffusion lorsqu’un passage devient disponible par l’ouverture du canal spécifique correspondant. Dans le cas du Na+, il s’y ajoute la différence de potentiel transmembranaire de repos qui favorise l’entrée du Na+.

Le fonctionnement du motoneurone est donc contrôle par deux systèmes antagonistes : un système GABAergique inhibiteur et un système cholinergique excitateur. Ainsi, les contractions musculaires induites par la picrotoxine s’expliquent par le blocage de l’action du GABA sur le motoneurone qui ne subit plus alors que les influences excitatrices du système cholinergique (document 1).