Cours svt enseignement scientifique, Guide, Projets, Recherche de Sciences de la Vie et de la Terre (SVT)

Télécharge Cours svt enseignement scientifique et plus Guide, Projets, Recherche au format PDF de Sciences de la Vie et de la Terre (SVT) sur Docsity uniquement! Thème I Une longue histoire de la matière Histoire, enjeux et débats... Leçon 1: Une structure complexe: la cellule vivante I. Elaboration progressive de la théorie cellulaire Une théorie (du grec theorein, « contempler, observer, examiner ») est un ensemble d'explications, de notions ou d'idées sur un sujet précis, pouvant inclure des lois et des hypothèses, induites et/ou vérifiées par l'accumulation de faits provenant de l'observation, de l'expérience et/ou du calcul, qui doit résister à l’expérience et être compatible avec les nouvelles données. A. Progrès technique et premières observations de cellules Cf. TP1: Observation de cellules épidermiques d’oignon rouge (MO - couleur naturelle – x400) Montage dans l’eau salée Paroi cellulaire Membrane plasmique Cytoplasme Noyau Petits organites intracellulaires Vacuole (matrice extracellulaire ou MEC) (mitochondries) A retenir: Vous devez être capables de légender et de reconnaître une cellule RAPPELS Ainsi, on distingue, dans toutes ces cellules: - La membrane plasmique qui entoure la cellule et la limite du milieu extérieur. Elle définit ainsi un compartiment liquide, le cytoplasme, où se déroule le métabolisme cellulaire (ensemble des transformations de matière et d’énergie nécessaire au bon fonctionnement de la cellule). Celui-ci contient un grand nombre d’organites parmi lesquels: - Le noyau, le plus gros, qui contient l’information génétique de la cellule (chromosomes) - Les mitochondries, plus petites, sièges de la respiration cellulaire. Les cellules végétales possèdent quelques organites supplémentaires et remarquables comme: - La paroi cellulaire, rigide et cellulosique, qui « double » extérieurement la membrane et constitue une sorte de « squelette » extracellulaire. - La vacuole, sorte de « sac » intracellulaire rempli d’eau (et quelquefois, de pigments colorés) et occupant la plus grande partie du volume cellulaire, exerçant ainsi une pression sur ladite paroi. - Enfin, dans les cellules chlorophylliennes uniquement, des chloroplastes, remplis de chlorophylle (pigment vert) et sièges de la photosynthèse. L’observation de cellules animales et/ou végétales au microscope optique montre que, en dépit d’une grande diversité de forme et de taille, ces cellules sont toutes construites selon un même plan d’organisation. B. Nouvelles représentations de la cellule Travail de recherche sur la microscopie électronique Sous forme de tableau comparatif, indiquer les caractéristiques, les grossissements et les observations possibles pour chaque type de microscopie électronique. Optique (MO) Électronique à transmission (MET) Électronique à balayage (MEB) Invention Préparation échantillons Faisceau utilisé Visualisation échantillons Grossissements obtenus Résolutions obtenues Observation Exemple: Observation d’un grain de pollen de 30 µm de diamètre Microscopes Caractéristiques 1595 1931 1937 Rapide Mort ou vivant Extrêmement long Mort, traitement très important Faisceau lumineux Faisceau d’électrons Structure interne objet Par transparence 2D Structure interne objet 2D Surface objet 3D x40 à x2000 Jusqu’à x 5 000 000 Jusqu’à x 100 000 1 à 0,35 µm 10 à 0,5 nm 2 à 0,2 nm Avec des oculaires Via un écran (interface numérique) TD2: Calculs de la taille réelle des cellules Cellules foliaires d ’élodée (MO – Couleur naturelle) Grain de pollen de noisetier (MO – Coloration: fuscine) Grain de pollen (MET) Helicobacter pylori (MEB – Fausse couleur) A partir des données à votre disposition, calculer la taille réelle des cellules et organites présentés. 9mm Cliché A Cliché A Echelle : 9mm 30µm 1mm 30/9µm Taille mesurée: 35 mm Taille réelle: 35 x 30/9 = 115.5µm Cliché B Cliché B Echelle : 12mm 10µm 1mm 10/12µm Taille mesurée: 32 mm Taille réelle: 32 x 10/12 = 26.6 µm 12mm Cliché C Echelle : 25mm 10µm 1mm 10/25 µm Taille mesurée: 8 mm Taille réelle: 8 x 10/25 = 3.2 µm Cliché C Cliché D Cliché D Echelle : 9mm 1µm 1mm 1/9 µm Taille mesurée: 14 mm Taille réelle: 14 x 1/9 = 1,4 µm 26mm 9 mm X 150000 X 7 000 Taille mesurée: 105 mm Taille mesurée: 93 mm Taille réelle: 105 / 150000 mm Soit 0,0007 mm soit 0,7µm Taille réelle: 93 / 7000 mm Soit 0,0133 mm soit 13,3 µm II. La membrane plasmique, « limite externe » de la cellule Si les techniques de microscopie ont permis l’observation précoce des cellules et des organites, il a fallu plus longtemps pour comprendre l’organisation de la membrane plasmique. Sa nature moléculaire a été comprise assez vite mais sa structure est une connaissance assez récente. Si la membrane est une « barrière » évidente entre le cytoplasme et le milieu extérieur, elle doit aussi être une interface avec ce même milieu en permettant à la cellule d'interagir avec lui de façon contrôlée pour:  échanger de la matière (absorption et rejet de différentes substances) pour permettre le métabolisme cellulaire  échanger des informations (identification, défense, cohésion tissulaire, captation de signaux, productions de réponses adaptées) pour permettre une interaction avec les autres cellules de l’organisme ou du milieu A retenir: Les rôles de la membrane plasmique Un composé hydrophile ou hydrosoluble est un composé (molécule ou ion) ayant une affinité pour l’eau et une tendance à s'y dissoudre (aptitude à établir des liaisons avec les molécules d’eau). Un composé lipophile ou liposoluble est un composé (molécule) ayant une affinité pour les lipides et est donc soluble dans un corps gras. Il est, par contre, insoluble dans l’eau (hydrofuge ou hydrophobe). Par leurs propriétés amphiphiles ou amphipathiques, les phospholipides sont les constituants fondamentaux des membranes biologiques. Ainsi: Choline Phosphate Acides gras Tête hydrophile Queue hydrophobe  leur tête hydrophile leur permet de se lier à l’eau: elle est donc tournée vers le milieu extérieur ou le milieu cytoplasmique  leur queue hydrophobe leur permet d’être cette barrière « imperméable » limitant ces deux milieux aqueux. Cette propriété explique par ailleurs leur auto organisation vis-à-vis des milieux environnants, et en particulier, leur aptitude à former des bicouches lipidiques. Propriétés des lipides membranaires Un phospholipide Modélisation moléculaire Schématisation A retenir: composés hydrophile/phobe, amphiphile Propriétés d’une molécule amphiphile en milieu aqueux: Les molécules amphiphiles s'auto-organisent en fonction des milieux dans lesquels elles se retrouvent pour former des structures complexes.  En monocouche : à l’interface air / eau Air Eau  En bicouche: à l’interface eau / eau Eau Eau Cette aptitude a été démontrée, en 1925, par Gorter et Grendel. Ainsi, ces molécules, en milieu aqueux s'organisent de façon à minimiser les interactions entre les queues hydrophobes et les molécules d'eau. Ceci se traduit par une auto organisation en micelles (monocouches) ou en liposomes (bicouches), dans lesquelles les têtes polaires sont en contact avec l'eau tandis que les queues hydrophobes se rassemblent pour former un milieu presque totalement anhydre. La membrane cellulaire serait donc le résultat de ce type d’auto organisation de la matière organique Micelle Liposomes (organisation type membrane) A retenir: auto organisation des lipides – à savoir réexpliquer Protocole: Résultats: Retour sur l’expérience de Gorter et Grendel (1925) Surface de lipides étalée, en µm2: 0,89.1012 Surface totale des globules rouges, en µm2: 4,74.109.99,4 = 471. 109 soit 0,47.1012 Surface de lipides autour d’une cellule: 0,89. 1012 / 0,47. 1012 = 1,8… Il y a deux fois plus de lipides étalés qu’il n’y a de surface d’hématie: les lipides sont donc organisés en double couche (bicouche) autour des cellules chez tous les êtres vivants. Calcul: Généralisation: A comprendre: méthode et calcul(s) Pour info: Données expérimentales Calcul de l’épaisseur de la membrane Dans un cristallisoir assez large rempli d’eau, on dispose en surface une couche de soufre (propriétés lipophobe et hydrophobe) puis on dépose une goutte de 0,05 mm3 de phospholipides avec la pointe d’une aiguille. Celle-ci va s’organiser en monocouche à l’interface air/eau tout en repoussant le soufre (non miscible ni avec elle, ni avec l’eau). On mesure alors le diamètre de la tache d’huile qui apparaît soit 14 cm. Or, on sait que e = V / π r2 Calculer l’épaisseur de la monocouche de phospholipides puis en déduire l’épaisseur de la membrane plasmique e (mm) = V (mm3) / π r2 (mm2) e = 0,05/ π 702 soit 0,05 / 4900 . π e = 5.10-2 /3,14 . 4,9.103 soit 5. 10-6 / 1,54 Donc e = 3,3. 10-6 mm Les lipides forment donc des monocouches d’environ 3,5 nm à l’interface air/eau. Dans un milieu aqueux, ils se disposeront donc en bicouche de 7 nm d’épaisseur environ, ce que confirme la MET (épaisseur de la membrane 7 nm) Observations de «surfaces cellulaires » (travaux de MEB) Singer et Nicholson - 1972 En 1972, Singer et Nicholson ont l’idée assez simple de comparer la surface de liposomes artificiels avec celle de véritables cellules. Les résultats obtenus sont figurés ci-dessous. Surface d’un liposome artificiel (MEB – x 80 000) Surface d’une membrane plasmique (MEB – x 50 000) Surface d’une membrane plasmique (MEB – x 80 000)  Pour valider les travaux de Danielli et Dawson, ils proposent une interprétation dans laquelle les nombreuses varicosités observées correspondent à la surface de protéines insérées (intégralement ou non) dans la membrane. Pour eux, elles seraient majoritairement transmembranaires, mais certaines pourraient n’y être que semi intégrées (d’un côté ou de l’autre de la membrane).  Les surfaces diffèrent: la membrane cellulaire n’est pas constituée que de phospholipides. Protéines membranaires