Partie 1 – Chapitre 4 : les apports en énergie et leur régulation Énergie et cellules vivantes

« Partie 1 – Chapitre 4 : les apports en énergie et leur régulation Énergie et cellules vivantes Le cytoplasme des cellules est plus riche en ions K + et plus pauvre en ions Na+ que le milieu extracellulaire.

Ces différences de concentrations participent au potentiel de repos membranaire de -70 mV de la cellule nerveuse. • À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, expliquer les mécanismes énergétiques qui assurent le maintien des différences de concentrations ioniques pour une cellule nerveuse. Document 1 : Fonctionnement de la pompe sodium-potassium (représentation schématique) et concentrations intracellulaires en ions La pompe permet d’échanger les ions sodium (Na+) issus du milieu intracellulaire avec les ions potassium (K+) issus du milieu extracellulaire dans un rapport précis (3 Na+/ 2 K+). D’après biologie TD – Collection Tavernier – 1989 Document 2 : Effets du cyanure sur la consommation en dioxygène du neurone On suit l’évolution de la teneur en dioxygène du milieu de culture dans lequel sont placés des neurones, avant et après ajout de cyanure.

Ce dernier traverse facilement les membranes cellulaires. D’après SVT – Collection Duco – 2012 Partie 1 – Chapitre 4 : les apports en énergie et leur régulation Document 3 : Effets du cyanure et de l’ATP sur des neurones de calmar Caldwell et Keynes ont placé des neurones de calmar contenant des ions 24Na+ radioactifs dans de l’eau de mer.

Ils ont mesuré la vitesse de sortie de ces ions dans trois conditions différentes : - eau de mer, - eau de mer additionnée de cyanure, - injection d’ATP dans le neurone en présence de cyanure De l’ATP ajouté à l’eau de mer mais non injecté dans le neurone n’a aucun effet. D’après http://www.didier-pol.net/6SET696.html Document 4 : Mesures de concentrations intracellulaires en ions Na + et K+ pour un neurone dans différents milieux de culture. Na+ en mmol.l-1 K+ en mmol.l-1 sans glucose 77 85 avec glucose 15 150 avec glucose + inhibiteur de la glycolyse 64 93 avec pyruvate 18 148 avec pyruvate + inhibiteur de la glycolyse 23 117 Composition du milieu D’après http://ddata.over-blog.com/ Rappel : le pyruvate est le produit final de la glycolyse Partie 1 – Chapitre 4 : les apports en énergie et leur régulation Correction • À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, expliquer les mécanismes énergétiques qui assurent le maintien des différences de concentrations ioniques pour une cellule nerveuse. B.

Analyse des documents et connaissances - éléments scientifiques • Informations utiles tirées des documents : l'ordre d'étude des documents dépendra de la démarche du candidat. Document 1 - la pompe sodium-potassium provoque la sortie de 3 Na + hors de la cellule pour l’entrée de 2 K + ce qui crée une différence de concentrations ioniques dans la cellule (concentrations intracellulaires de Na+ et K+ sont respectivement de 18 mmol/L et 180 mmol/L soit 10 fois plus de K+ que de Na+) et surtout de part et d’autre de la membrane plasmique de la cellule (à l’origine du potentiel de repos). - l’activité de la pompe est couplée à l’hydrolyse d’une molécule d’ATP - en présence d’un inhibiteur de l’hydrolyse d’ATP (digitaline), il n’y a pas de différence de concentrations ioniques (concentrations intracellulaires sont de 75 mmol/L pour Na+ et 83 mmol/L pour K+). Document 4 : - le déséquilibre des concentrations ioniques de Na+ et de K+ se produit si les neurones disposent de glucose et que la glycolyse s’effectue ou si les neurones disposent de pyruvate (même si la glycolyse est inhibée) Document 2 - les cellules nerveuses en culture consomment du dioxygène ( % diminue de 50 % à 18 % environ) - la consommation du dioxygène est stoppée par l’ajout de cyanure Document 3 : - l’ajout de cyanure dans le milieu de culture des neurones de calmar provoque une chute brutale de la vitesse de sortie des ions Na + (de 0,002/min à 0,0005/min) hors de la cellule - l’apport d’ATP lors des deux injections permet d’augmenter la vitesse de sortie des ions Na + hors de la cellule, l’augmentation étant plus importante lors de la 2de injection d’ATP qui est plus importante que la 1ère (6,2 mmol/L contre 1,2 mmol/L pour la 1ère) • Connaissances mobilisées : - l’hydrolyse de l’ATP libère de l’énergie utilisable par la cellule - la glycolyse est la première étape de la respiration cellulaire au cours de laquelle le glucose est oxydé partiellement en pyruvate, substrat totalement oxydé lors de la 2de étape de la respiration cellulaire - la respiration cellulaire est une voie métabolique qui produit de l’énergie sous forme d’ATP et qui consomme du O 2, en particulier lors des réactions de la chaîne respiratoire C.

Mise en relation et compréhension globale - l’hydrolyse de l’ATP libère de l’énergie qui permet le fonctionnement de la pompe sodium-potassium dont l’activité crée une différence de concentrations ioniques en Na+ et K+ dans la cellule et ainsi l’existence d’une potentiel membranaire. - le pyruvate étant indispensable à la création de la différence de concentrations ioniques, celle-ci dépend donc de la réalisation de la respiration cellulaire qui consomme du pyruvate - cela est confirmé par l’effet du cyanure qui bloque la respiration cellulaire et empêche alors la sortie des ions Na +. - le fonctionnement de la pompe est donc bien dépendant de la production d’ATP par les cellules au cours de la respiration Compréhension globale : - les différences de concentrations ioniques dans une cellule nerveuse résultent du fonctionnement des pompes sodium-potassium.

Ces dernières utilisent l’énergie libérée par l’hydrolyse des molécules d’ATP qui sont elles-mêmes produites au cours de la respiration cellulaire. C’est pourquoi une inhibition de la respiration cellulaire (absence de glucose ou de pyruvate ; inhibition des réactions de la chaîne respiratoire avec le curare) empêche la formation d’un déséquilibre ionique dans les cellules nerveuses. Partie 1 – Chapitre 4 : les apports en énergie et leur régulation Version plus rédigée Les cellules nerveuses sont caractérisées par un potentiel de repos de -70mV qui résulte d’une différence de concentration en ions entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. • On cherche à expliquer quels sont les mécanismes énergétiques qui sont responsables de cette inégalité de concentrations ioniques. Le schéma du document 1 nous montre le fonctionnement d’une pompe Na-K qui est à l’origine d’une différence de concentration en ions Na+ et K+ entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire.... »