Bio pour tous 4 - Manuel - Chapitre 2

MANUEL

4

POUR TOUS

Martine DELVIGNE Michel FAWAY Rosa-Caterina MARCHESINI Patrick VERHAEGHE Eric WALRAVENS

ISBN 978-94-641-7633-9 601241

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Table des matières Comment utiliser BIO pour tous ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Les compétences terminales et savoirs requis en sciences de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Les compétences terminales et savoirs requis en sciences générales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Chapitre 1 Le vivant : ce que tu sais déjà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 2 3 4 5 6

La biosphère est structurée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 L’individu est organisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Les êtres vivants utilisent de la matière et de l’énergie qu’ils prélèvent dans l’environnement . . . . . . . . . 10 Communiquer l’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Les plans de coupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Le vocabulaire relatif aux savoirs et savoir-faire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Chapitre 2 La chimie du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1 Les éléments du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Les molécules du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1 L’eau, H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Les molécules organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1 Les glucides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 Les lipides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3 Les protides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.4 Les acides nucléiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Chapitre 3 La cellule : unité du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1 2 3 4 5

La cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 La cellule en microscopie optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 L’échelle du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Unité, mais diversité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 En sait-on plus sur la cellule ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.1 Les instruments d’observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2 L’ultrastructure cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.1 La cellule animale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2.2 La cellule végétale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2.3 La cellule bactérienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2.4 La membrane cytoplasmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2.5 Le cytoplasme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.2.6 Le noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.2.7 Le réticulum endoplasmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2.8 L’appareil de Golgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.9 Les mitochondries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.2.10 Les plastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2.11 Le centrosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

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Chapitre 4 Toute cellule provient d’une autre cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 1 Le cycle cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2 La réplication de l’ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3 ADN et chromosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4 Le film de la mitose d’une cellule animale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Mitose d’une cellule végétale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6 Les rôles de la division avec mitose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7 Le caryotype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 8 Méiose et fécondation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 9 Le film de la méiose d’une cellule animale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 10 La diversité par le sexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Chapitre 5 Transmission, conservation et variabilité de l’information génétique . . 93 1 Mendel et la transmission des caractères héréditaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 1.1 L’aube de la génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 1.2 La démarche expérimentale de Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 1.3 Les expériences de Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 1.4 Les deux premières lois de Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 1.5 Définitions et conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 1.6 Le croisement test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 2 La théorie chromosomique de l’hérédité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3 L’ADN, support des informations héréditaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4 L’expression des gènes et les mutations génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5 L’universalité de la molécule d’ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Chapitre 6 Le vivant aujourd’hui et hier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 1 La biodiversité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 1.1 La diversité des espèces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 1.2 La diversité génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 1.3 La diversité des écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2 La biodiversité au cours du temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 2.1 Chronologie de l’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 2.2 Les crises biologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3 Diversité mais aussi unité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.1 En cytologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.2 En biochimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.3 En physiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.4 En anatomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4 L’évolution, une explication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5 Comment classer les vivants ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.1 La logique de la classification phylogénétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2 Comment interpréter un arbre phylogénétique ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.1 L’histoire des espèces actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.2 Les liens de parenté entre espèces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.3 La pertinence des groupements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Activités complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Index

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IN N VA « Toutes les formes de la vie ont beaucoup de caractères communs : la composition chimique, la structure cellulaire, les lois de croissance et la faculté qu’elles ont d’être affectées par certaines influences nuisibles. »

Éd i

tio

ns

2

La chimie du vivant

Charles DARWIN, naturaliste anglais, 1809 – 1882

À LA FIN DE CE CHAPITRE, TU SERAS CAPABLE DE… SAVOIR

SAVOIR FAIRE

a. Définir et utiliser les mots-clés apparaissant en rouge dans ce chapitre.

a. Analyser, interpréter et exploiter des résultats expérimentaux et des documents.

b. Citer les éléments chimiques caractéristiques du vivant.

b. Trier et identifier différentes molécules du vivant.

c. Citer et schématiser les grandes classes et catégories de molécules organiques.

c. Modéliser la molécule d’ADN.

d. Montrer les relations entre acides aminés, polypeptides et protéines ; entre mono-, diet polysaccharides ; entre nucléotides et acides nucléiques ; entre acides gras, triglycérides et phospholipides. e. Énumérer et connaître la complémentarité des 4 bases azotées entrant dans la composition de l’ADN.

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1 Les éléments du vivant ACTIVITÉ 1

QUELS SONT LES ÉLÉMENTS DU VIVANT ? – Exploiter des résultats expérimentaux

VA

N

IN

Des biochimistes ont déterminé la composition en éléments chimiques de différents êtres vivants. Leurs résultats sont présentés dans les trois graphiques suivants.

Éd i

tio

ns

Proportions en masse des éléments présents dans le corps humain adulte (matière fraîche)

Proportions en masse des éléments présents dans une plante (matière fraîche)

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La chimie du vivant

2

N

IN

Proportions en masse des éléments présents dans une (matière fraîche) Proportions enbactérie masse des éléments présents dans une bactérie (matière fraîche)

VA

1) Nomme, par ordre décroissant d’abondance, les 4 éléments les plus présents dans les molécules du vivant.

tio

ns

2) Quelle proportion approximative représentent ces 4 éléments ?

Éd i

Une cellule moyenne contient des milliers de milliards d’atomes, mais moins d’un tiers des éléments chimiques naturels sont présents dans le vivant.

C, H, O et N représentent plus de 96 % de la masse de la plupart des êtres vivants. À ces 4 éléments fondamentaux s’ajoutent 7 éléments relativement abondants : P, S, Ca, Na, K, Mg et Cl. Les éléments restants ne se trouvent qu’en très faible quantité.

Les éléments sont le plus souvent associés dans des molécules simples, telles l’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le dioxygène (O2) ou dans des molécules plus complexes comme les glucides, lipides…

D’autres éléments forment des ions mono- ou polyatomiques dont voici quelques exemples parmi les plus importants : Na+, K+, Mg2+, Fe2+, Cl–, NO3–, HCO3–, PO43–. Ils se retrouvent dans l’organisme à l’état dissous (exemple : les ions Ca2+ dans le sang) ou solide (exemple : l’hydroxyapatite, Ca5(PO4)3OH, qui consti-

tue la fraction minérale principale des os) ou encore liés à des molécules complexes (exemples : le Fe2+ que l’on trouve dans l’hémoglobine ou le Mg2+ dans la chlorophylle).

Modèle général des substances minérales et modèle plus détaillé de l’hydroxyapatite

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2 Les molécules du vivant ACTIVITÉ 2

QUELLES SONT LES MOLÉCULES DU VIVANT ? – Exploiter des résultats expérimentaux

En te basant sur les documents ci-dessous, compare la composition chimique du vivant et du non-vivant.

Document 1

Éd i

tio

ns

VA

N

IN

En troisième, tu as construit les histogrammes illustrant la composition chimique d’un être humain, d’une racine de carotte fraîche et de la chair du bar.

Document 2 L’analyse chimique du sable et d’une roche calcaire donne les résultats suivants (en % de la masse totale).

Sable

Roche calcaire

Glucides

0%

0%

Lipides

0%

0%

Protides

0%

0%

Eau

0%

0%

100 %

100 %

Substances minérales

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La chimie du vivant

2.1 L’eau, H2O

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2.2.1 Les glucides Aussi appelés sucres, les glucides constituent les principales sources d’énergie des êtres vivants et ont un rôle structurel. Ils sont exclusivement constitués de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. On les classe en trois catégories, les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.

Différents modèles de la molécule d’eau

Les monosaccharides sont les unités moléculaires de tous les glucides.

• Le glucose C6H12O6 est le sucre synthétisé lors de la photosynthèse chlorophyllienne.

N

Différents modèles de la molécule de glucose

• Le fructose C6H12O6 a la même formule moléculaire que le glucose, mais sa structure est différente, les atomes étant disposés différemment.

On trouve le fructose dans le miel, les fruits et le sperme.

tio

ns

VA

L’eau a des fonctions nombreuses et importantes.

• Elle constitue le milieu dans lequel se déroulent la plupart des réactions biochimiques.

• Elle est un réactif ou un produit de beaucoup de réactions biochimiques.

• Elle transporte toutes les substances en suspension ou dissoutes, en particulier les ions minéraux, les nutriments, le dioxygène et les déchets.

• Elle protège certains organes contre les chocs mécaniques.

• Elle participe à la régulation de la température corporelle.

IN

L’eau, bien que molécule inorganique, est le constituant le plus abondant du vivant puisqu’elle représente plus de la moitié de la masse de la plupart des organismes : 55 à 60 % de la masse corporelle d’un Homme adulte, 98 % de la laitue, 80 % du ver de terre.

2.2 Les molécules organiques

Éd i

Les molécules organiques sont des composés carbonés. Elles ne se trouvent naturellement sur Terre que dans le vivant et ses produits. Si certaines de ces molécules sont de taille et de masse moléculaire modestes, beaucoup sont énormes. Ce sont des macromolécules qui résultent de l’association de molécules plus petites.

Dans le vivant, on distingue essentiellement quatre grandes classes de molécules organiques, les glucides, les lipides, les protides et les acides nucléiques.

Différents modèles de la molécule de fructose

• Le galactose C6H12O6 a encore une autre structure ; il intervient dans la composition du glucide principal du lait.

• Le désoxyribose C5H10O4 est un composant des acides nucléiques.

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2 2.2.2 Les lipides Les lipides sont constitués de carbone, d’hydrogène et d’oxygène et, pour certains, de phosphore.

Ils sont classés en 4 catégories : les acides gras, les triglycérides, les phospholipides et les stérols.

Les acides gras sont des composants des triglycérides et des phospholipides.

Différents modèles de la molécule de maltose

ns

VA

• Le saccharose C12H22O11 est fait de deux sousunités, un glucose et un fructose. Il constitue une substance de réserve de certaines plantes comme la canne à sucre et la betterave sucrière.

C’est le sucre de table.

• Le lactose C12H22O11 est fait de deux sous-unités, un glucose et un galactose. C’est le principal glucide du lait que produisent les mammifères.

N

IN

Les disaccharides sont faits de l’assemblage de deux monosaccharides.

• Le maltose C12H22O11 est formé principalement lors de la digestion de l’amidon. Ses sous-unités sont deux glucoses.

Éd i

tio

Les polysaccharides sont des macromolécules constituées de très nombreux monosaccharides.

• L’amidon, assemblage de molécules de glucose, constitue une substance de réserve pour la plupart des plantes vertes.

L’acide palmitique (au milieu) est un acide gras qui ne comporte que des liaisons carbone-carbone simples ; on dit que c’est un acide gras saturé.

L’acide oléique (à droite) est un acide gras qui comporte une double liaison carbone-carbone ; c’est un acide gras insaturé.

Les triglycérides constituent une réserve d’énergie (graisses et huiles alimentaires). Ils peuvent être considérés comme le produit de la réaction entre une molécule de glycérol et trois molécules d’acides gras.

L’amidon, mélange de macromolécules linéaires et ramifiées

• La cellulose est le constituant majeur de la paroi des cellules végétales. Son unité de base est le glucose.

• Le glycogène constitue une substance de réserve pour les animaux. C’est un enchaînement très ramifié de molécules de glucose.

Le beurre de cacao est un mélange de triglycérides dont le plus abondant est un assemblage de glycérol, d’acide palmitique, d’acide oléique et d’acide stéarique.

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Les phospholipides sont les principaux constituants des membranes cellulaires. On en trouve aussi en abondance dans la bile et le jaune d’œuf.

Ils sont composés entre autres de deux acides gras.

C’est la nature du groupe qui confère à chaque acide aminé sa spécificité.

VA

Cette phosphatidylcholine (aussi connue sous le nom de lécithine) est un phospholipide abondant dans le jaune d’œuf.

N

IN

Il existe de très nombreux acides aminés qui remplissent des fonctions importantes, mais il n’y a que vingt acides aminés différents qui peuvent se lier les uns aux autres et former des chaînes appelées polypeptides. Ces derniers sont appelés protéines lorsqu’ils deviennent fonctionnels.

Les polypeptides sont constitués d’un enchaînement d’acides aminés et diffèrent les uns des autres par la nature, le nombre et la séquence de ces acides aminés.

Éd i

tio

ns

Les stérols entrent dans la composition des membranes cellulaires et sont à la base de certaines hormones.

Le cholestérol entre dans la composition des membranes des cellules animales dont il modifie la fluidité.

2.2.3 Les protides Les protides regroupent les acides aminés, les polypeptides et les protéines.

Les acides aminés sont les composants des polypeptides et des protéines. Leur composition élémentaire inclut le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et, pour deux d’entre eux, le soufre.

L’hémoglobine des globules rouges, transporteuse de dioxygène, est une protéine constituée de deux polypeptides α (en rouge), deux polypeptides β (en orange) et quatre autres molécules (en gris), contenant chacune un ion Fe2+.

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2 Chaque organisme contient des milliers de protéines différentes qui assurent les diverses fonctions nécessaires à la vie.

• Les protéines plastiques participent à la constitution des membranes cellulaires.

• Les protéines-enzymes permettent aux réactions biochimiques de se dérouler dans des conditions compatibles avec la vie.

Quelques exemples de protéines

IN

La bioluminescence de divers êtres vivants (vers luisants, méduses, mycètes) est due à une réaction biochimique entre la luciférine et le dioxygène en présence d’une protéine-enzyme, la luciférase. Ce sont surtout les organismes vivant dans les océans à grande profondeur qui produisent et émettent de la lumière : 90 % des organismes récoltés à 4000 mètres de profondeur sont bioluminescents.

Les êtres vivants ont recours à la bioluminescence pour communiquer (attraction, répulsion) ou pour se camoufler.

Éd i

tio

En fait, ce traitement n’est pas efficace en application sur la peau, car le collagène est une très grosse protéine incapable de franchir les membranes cellulaires.

La soie, constituée d’une protéine appelée fibroïne, est produite par les glandes salivaires des chenilles (par exemple l’hyponomeute Yponomeuta sp., ci-dessous) et les glandes abdominales des araignées. La soie forme de fins fils souples extrêmement résistants.

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Le collagène est abondant dans la peau, les os, le cartilage, les ligaments. Il assure la résistance, la souplesse et l’élasticité des tissus et organes. Pour ces propriétés, cette protéine est extraite des peaux de poisson et est abondamment utilisée en cosmétique dans le but de réparer le collagène vieilli et d’effacer les rides.

VA

+

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DOCS

• Les protéines-hormones jouent un rôle de messager entre différents organes.

• Des protéines stockent et transportent diverses substances.

• Des protéines, les anticorps, participent à la défense de l’organisme en reconnaissant les agresseurs extérieurs.

• Des protéines permettent les contractions musculaires.

L’insuline fabriquée par le pancréas est l’hormone la plus importante pour la régulation du taux de glucose dans le sang. L’insuline fonctionnelle est constituée de 2 polypeptides, l’un comportant 21 acides aminés, l’autre 30 acides aminés.

Les filaments d’actine font partie des constituants des fibres musculaires. Chaque filament d’actine est formé de plusieurs protéines de 374 acides aminés chacune.

L’amylase salivaire est une enzyme digestive qui découpe l’amidon en polysaccharides plus petits. Le précurseur de cette enzyme est un polypeptide de 511 acides aminés.

La kératine, constituant principal des cheveux, est une petite protéine constituée de 18 acides aminés.

Il existe en Belgique 3 espèces de lampyres ou vers luisants, dont Lamprohiza splendidula. Chez cette espèce, les deux sexes émettent de la lumière, mais seul le mâle (en bas) vole, la femelle (en haut) étant aptère.

C’est lors des nuits calmes de la fin du mois de juin que l’on peut observer ce beau spectacle lumineux le long des haies et en lisière de forêt.

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2.2.4 Les acides nucléiques ACTIVITÉ 3

EXTRACTION DE l’ADN – Mener à bien une démarche expérimentale

Que ce soit au cours de biologie, dans les médias (séries policières, revues de vulgarisation) ou dans les procès judiciaires, tu entends parler de l’ADN, l’acide désoxyribonucléique.

Pour visualiser cet ADN, tu vas utiliser une technique d’extraction ressemblant à celle utilisée dans de nombreux laboratoires scientifiques.

Expérience 1 – Extraction de l’ADN de cellules végétales Matériel Biologique

Mode opératoire

– un flacon contenant du détergent de vaisselle incolore – eau – NaCl – éthanol dénaturé froid (sur glace) – un flacon compte-gouttes contenant une solution déprotéinisante (produit servant au nettoyage des lentilles de contact) – de la glace pilée ou des glaçons

VA

N

– kiwis, oignons ou fraises préalablement broyés au mixer

ns

– 2 petits berlins ou 2 gobelets – un tube à essai en verre – une cuillère à soupe – une cuillère à café – un entonnoir – un filtre à café – une pipette compte-gouttes – un marqueur pour verre

Chimique

IN

Physique

Éd i

tio

1. Dépose dans un berlin une cuillère à soupe de fruits ou bulbes broyés.

2. Recouvre d’eau les fruits ou bulbes broyés et ajoute une demi-cuillère à café de NaCl sur ceux-ci.

3. Ajoute ensuite une cuillère à soupe de détergent pour vaisselle. Mélange délicatement en évitant la formation de mousse.

4. Filtre la mixture dans le second berlin à l’aide de l’entonnoir muni du filtre. Lorsque la majorité du filtrat s’est écoulée, presse légèrement le filtre et son contenu.

Attention à ne pas déchirer le filtre !

5. Ajoute au filtrat se trouvant dans le berlin 10 gouttes de la solution déprotéinisante, puis mélange et laisse agir 5 minutes.

6. Fais couler quelques ml (2 à 3 cm de hauteur) de filtrat dans un tube à essai propre.

7. À l’aide de la pipette, ajoute délicatement quelques ml (2 cm de hauteur) d’éthanol froid en le faisant couler goutte à goutte contre la paroi du tube à essai. Les deux liquides présents ne doivent pas se mélanger ; l’éthanol forme ainsi une couche distincte au-dessus du filtrat.

8. Identifie ton tube à essai en notant ton prénom et place le tube sur la glace pilée ou dans un récipient contenant des glaçons. Laisse reposer deux minutes.

9. Prends ton tube délicatement et observe-le par transparence sur un fond foncé. Les filaments blancs que tu observes sont des filaments d’ADN ; cet agglomérat porte le nom de « méduse d’ADN ».

Résultats Réalise un dessin de ce que tu observes à travers le tube.

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Questions 1) 2) 3) 4) 5)

Pourquoi avoir broyé les fruits ?

Quel est le rôle du détergent dans cette expérience ? Pense à son utilité dans la vie courante.

Pourquoi ajouter une solution déprotéinisante ?

L’ADN est-il soluble dans l’eau ?

L’ADN est-il soluble dans l’éthanol ?

Expérience 2 – Extraction de ton propre ADN Matériel Physique

Biologique

– un flacon contenant du détergent de vaisselle incolore – eau – NaCl – éthanol dénaturé froid (sur glace) – un flacon compte-gouttes contenant une solution déprotéinisante (produit servant au nettoyage des lentilles de contact) – de la glace pilée ou des glaçons

IN

– tes cellules buccales

N

– un gobelet propre – un tube à essai en verre – une pipette compte-gouttes – une cuillère à café – un marqueur pour verre – une touillette, un abaisse-langue…

Chimique

VA

Mode opératoire

Éd i

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1. Trempe la touillette dans le gobelet contenant de l’eau sur 1 cm de hauteur et racle l’intérieur de tes joues, sans te faire saigner. Secoue la touillette dans le gobelet d’eau.

2. Rince ensuite ta bouche avec l’eau contenue dans ton gobelet et crache le tout dans ce gobelet que tu conserves. Le gobelet contient maintenant des cellules de l’épithélium buccal.

3. Ajoute un quart de cuillère à café de NaCl dans le gobelet.

4. Verse deux gouttes de détergent pour vaisselle dans le gobelet, mélange délicatement et laisse agir deux minutes.

5. Ajoute cinq gouttes de solution déprotéinisante, mélange délicatement et laisse agir trois minutes.

6. Transvase quelques ml (2 à 3 cm de hauteur dans le tube) de ta solution dans un tube à essai propre.

7. À l’aide de la pipette, ajoute délicatement quelques ml (2 cm de hauteur) d’éthanol froid en le faisant couler goutte à goutte contre la paroi du tube à essai. Attention, les deux liquides présents ne doivent pas se mélanger; l’éthanol forme ainsi une couche distincte au-dessus du filtrat. Observe sans attendre.

8. Identifie ton tube à essai en notant ton prénom et place le tube sur la glace pilée. Laisse reposer deux minutes.

9. Prends ton tube délicatement et observe par transparence sur un fond foncé.

Si tu n’observes pas de « méduse d’ADN » dans ton tube, reprends le reste de la solution se trouvant encore dans ton gobelet et refais les étapes à partir du point 6.

Résultats Décris ce que tu observes à travers le tube et compare avec les résultats obtenus lors de l’expérience 1.

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ACTIVITÉ 4

2

L’ADN, UNE MACROMOLÉCULE – Analyser des modèles

Les documents 1 à 3 sont différents modèles d’un fragment d’une molécule d’acide désoxyribonucléique (ADN). Ils vont te permettre de te familiariser avec le principal acteur du noyau cellulaire. Analyse-les afin de répondre aux questions suivantes.

Document 2

Document 3

Éd i

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Document 1

1) Quels éléments chimiques sont présents dans l’ADN ?

2) Quelles sont les entités constitutives de l’ADN ?

3) Les entités contenant l’azote sont appelées bases azotées. Combien de bases azotées différentes trouvet-on dans l’ADN ? Donne les noms des différentes bases azotées et leur abréviation.

4) À quoi peut-on comparer la forme générale de la molécule d’ADN ?

5) Quelle est l’unité de structure dont la répétition permet la construction de la molécule d’ADN ?

Modélise-la.

6) Les bases azotées s’associent-elles au hasard dans l’ADN ? Justifie.

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Les bases constituant les paires A – T et C – G sont réunies entre elles par des liaisons hydrogène. La force des liaisons hydrogène n’est égale qu’à environ un vingtième de celle des autres liens de la molécule d’ADN. Cela constitue un point faible au niveau de chaque échelon, donc au milieu de la molécule.

Comme l’ADN résulte de l’association de nucléotides, c’est un polynucléotide.

Éd i

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VA

Les acides nucléiques sont les molécules dépositaires et distributrices des informations nécessaires au fonctionnement de l’organisme vivant. Ils sont exclusivement constitués de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote et de phosphore.

En 1953, le biochimiste américain James Watson et le biologiste moléculaire anglais Francis Crick, se basant sur les travaux de la physico-chimiste Rosalind Franklin, présentent un modèle de la structure de l’acide désoxyribonucléique (ADN).

La molécule d’ADN a la forme d’une double hélice ; elle ressemble à une échelle torsadée. Les montants de l’échelle sont constitués d’une succession de deux entités alternées : un sucre à cinq atomes de carbone, le désoxyribose (D), et un groupe phosphate (P) ; tandis que les échelons sont faits de bases azotées.

L’ensemble constitué d’une base, d’un sucre et d’un phosphate est un nucléotide.

Il existe quatre bases azotées différentes dans la molécule d’ADN : l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G).

Watson et Crick ont pu montrer la complémentarité des bases azotées au sein de l’ADN : l’adénine s’associe toujours à la thymine et la guanine s’associe toujours à la cytosine.

2 paires de nucléotides d’une molécule d’ADN Une cellule humaine contient dans son noyau 46 molécules d’ADN constituées de plus de 6 milliards de paires de nucléotides.

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La chimie du vivant

ACTIVITÉ 5

2

L’ADN DE DIFFÉRENTES ESPÈCES – Analyser des résultats expérimentaux, interpréter

On a déterminé le nombre de chacune des bases azotées présentes dans l’ADN de différentes espèces.

Le tableau ci-dessous indique les proportions relatives des différentes bases azotées. On a pris pour référence la guanine à laquelle on a donné arbitrairement la valeur 100 (les mesures sont données avec une précision de ± 2).

Adénine

Cytosine

Thymine

Cellules d’Homme

100

140

98

142

Cellules d’oursin

100

188

101

186

Cellules de blé

100

122

102

120

Bactériophage T4 (virus)

100

192

99

193

Escherichia coli (bactérie)

100

97

102

95

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IN

Guanime

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Source du prélèvement

COMPOSITION D’UNE PLANTE VERTE – Analyser, exploiter des résultats

Éd i

ACTIVITÉ 6

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ns

1) Quels renseignements tires-tu de ce tableau ?

2) Dans quelle mesure tes connaissances te permettent-elles d’expliquer ces résultats ?

En faisant une recherche sur internet, un élève de quatrième a obtenu, sur deux sites différents, les tableaux suivants de composition massique en éléments chimiques d’une plante verte.

1) Confronte les données de ces deux tableaux. Y a-t-il une erreur dans l’une ou l’autre source ? Justifie.

2) Quels messages peux-tu retenir de l’utilisation de données d’internet à partir de cette activité ?

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2 ACTIVITÉ 7

MODÉLISER L’ADN

Tu vas construire un modèle de l’ADN en 3D selon la technique de l’origami.

Matériel Physique – une paire de ciseaux – un tube de colle – une boîte de crayons de couleur

N

IN

Préparation de la structure de la molécule d’ADN 1. Photocopie le gabarit de la page suivante.

2. À l’aide d’une paire de ciseaux, élimine les bordures blanches extérieures de ta photocopie.

3. Les 4 colonnes étroites représenteront, après pliage de la feuille, les montants de la molécule ; colorie les groupements phosphates (P) en gris et les sucres (S) en bleu. Les triangles des larges colonnes seront les paires de bases de l’ADN ; pour chaque base mentionnée par une lettre, écris, dans le triangle qui lui est adjacent par l’hypoténuse, la lettre correspondant à la base complémentaire, puis colorie les bases en respectant le code suivant : adénine en rouge, thymine en vert, guanine en jaune et cytosine en violet.

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VA

Origami de l’ADN Renforce chaque pli que tu vas réaliser en appuyant avec ton ongle.

1. Plie la feuille au niveau de la ligne verticale centrale et selon un pli convexe (en toit), puis colle les 2 faces blanches de sorte que les impressions restent visibles.

2. Pose la feuille devant toi avec le pli à droite et les lettres lisibles. Plie la feuille au niveau de la ligne verticale de gauche et selon un pli convexe (en toit), de sorte que le montant « sucres – phosphates » de gauche soit caché. Plie ensuite la feuille au niveau de la ligne verticale de droite et selon un pli concave (en creux) de sorte le montant « sucres – phosphates » de droite soit visible et recouvre partiellement les bases de droite.

3. Tout en maintenant les deux montants repliés, en progressant de haut en bas, plie la feuille selon un pli convexe (en toit) au niveau de chaque ligne oblique séparant deux bases complémentaires, mais de façon concave (en creux) au niveau de chaque ligne horizontale.

4. Au terme du pliage durant lequel tu as bien appuyé sur chaque pli, tu obtiens une roue aplatie ; en tirant ensuite légèrement sur la première et la dernière base et en redressant les deux montants « sucres – phosphates » latéraux perpendiculairement aux bases, tu obtiens un modèle de la molécule d’ADN en double hélice.

ACTIVITÉ 8

ORGANIGRAMME DES MOLÉCULES DU VIVANT – Synthétiser

Tu viens d’étudier la constitution du vivant.

En te référant aux parties « En théorie » des pages 16 à 26 de ton manuel, réalise une carte heuristique reprenant les éléments et molécules étudiés.

Par la suite, il te facilitera l’étude.

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Activités complémentaires SAVOIR 1) Définis les termes suivants. a) Molécules organiques b) Macromolécule c) Amidon d) Protéine e) Nucléotide

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2) Les macromolécules organiques que l’on retrouve dans le vivant sont des assemblages de molécules organiques plus petites.

Quelle est l’unité de base des macromolécules suivantes ? a) ADN b) Amidon c) Lipase d) Glycogène

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N

3) Quatre éléments chimiques représentent plus de 96 % de la masse de la plupart des êtres vivants. Écris les noms et les symboles chimiques de ces 4 éléments.

4) Quels sont les éléments que l’on retrouve dans tous les lipides ? Écris les noms et les symboles chimiques de ces éléments.

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5) Quel terme de cette liste inclut tous les autres ?

Amidon – Cellulose – Disaccharide – Glucide – Glucose – Polysaccharide

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6) Dans la liste suivante, quel est l’intrus ? Justifie.

Acide aminé – Acide gras – Cholestérol – Lipide – Phospholipide – Triglycéride

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7) Quelle est la molécule la plus abondante du vivant ?

8) Sélectionne les affirmations correctes. a. Les triglycérides sont constitués de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et de phosphore. b. Les triglycérides constituent les graisses et huiles alimentaires. c. Les triglycérides résultent de l’association de trois molécules d’acides aminés avec une molécule de glycérol. d. Les triglycérides sont les principaux constituants des membranes cellulaires. e. Les triglycérides sont à la base de certaines hormones telles que la testostérone et les œstrogènes. f. Les triglycérides forment une réserve d’énergie.

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SAVOIR FAIRE 1) La molécule d’ADN est constituée de deux chaînes de nucléotides enroulées l’une autour de l’autre en une double hélice de 2 nm de diamètre. Sachant qu’un fragment d’une chaîne d’une molécule d’ADN présente la séquence de bases azotées suivantes : TTCAGGATG, écris la séquence de bases azotées de l’autre chaîne.

2) Si on compte le nombre de bases de chaque type (A = nombre d’adénines, G = nombre de guanines, C = nombre de cytosines, T = nombre de thymines) dans n’importe quel échantillon d’ADN, quelle relation mathématique est correcte ? a. A + T = C + G b. A × T = C × G c. A + G = C + T d. A = T = C = G

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3) Connaissant la composition élémentaire des différentes classes de molécules organiques, sélectionne le modèle de la molécule qui est un monosaccharide.

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