SVT - Fiche 1 - Organisation fonctionnelle du vivant PDF

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LA TERRE, LA VIE ET L’ORGANISATION DU VIVANT FICHE 1- Organisation fonctionnelle du vivant MOTS-CLES autotrophie, cellule, chloroplaste, cytoplasme, enzyme, eucaryote, fermentation, hétérotrophie, matrice extracellulaire, membrane plasmique, métabolisme, mitochondrie, organe, organisme, organite, photosynthèse, pluricellulaire, procaryote, respiration, spécialisation cellulaire, tissu, unicellulaire, voie métabolique

COURS I- Les niveaux d’organisation du vivant La matière, vivante ou inerte, est constituée d’atomes ou d’éléments chimiques dans des proportions très différentes de la matière inerte. Les liaisons entre les atomes permettent la constitution de molécules. Ces liaisons sont plus ou moins fortes : des liaisons covalentes sont des liaisons fortes par opposition aux liaisons qualifiées de faibles telles que les liaisons hydrogène. Les quatre éléments chimiques les mieux représentés dans les organismes vivants sont l’oxygène, le carbone, l’azote et l’hydrogène. Les molécules biologiques ou molécules organiques sont constituées à partir de squelettes carbonés où les atomes de carbone sont liés entre eux et avec des atomes d’oxygène, hydrogène, azote, phosphore, soufre… La matière vivante comporte 4 grands types de molécules organiques: Glucides, Protides, Lipides, Acides nucléiques. Ces composés organiques peuvent être divisés en 2 grands groupes : des molécules de faible masse moléculaire ; des molécules de masse moléculaire élevée qualifiées de macromolécules et formées à partir de la répétition de sous-unités. Remarque : les êtres vivants sont constitués de matière organique mais aussi de matière minérale : telle que l’eau et les sels minéraux. Les molécules s’assemblent pour former les différents constituants de la cellule. Certains êtres vivants, les unicellulaires, sont constitués d’une seule cellule qui assure toutes les fonctions essentielles à la vie: se déplacer, se nourrir, se reproduire, établir des relations avec leur environnement... Chez les organismes pluricellulaires, les cellules d’un même type sont en général associées pour former un ensemble fonctionnel appelé tissu. Un organe est une structure complexe, en général constitué de plusieurs tissus qui participent à la réalisation d’une même fonction. On donne le nom d’organisme à un être organisé accomplissant les fonctions de la vie, que celui-ci soit unicellulaire ou pluricellulaire.

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II- La cellule L’observation des cellules peut être réalisée au microscope optique ou photonique qui permet de voir la forme, la taille et certains éléments qu’elles contiennent. Pour observer la structure fine, ou ultrastructure, de la cellule et détailler les éléments qu’elle contient, il faut utiliser un microscope électronique. Tous les êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules. Malgré une grande diversité de leurs aspects, toutes les cellules possèdent un plan architectural commun : la cellule est un espace délimité par une membrane plasmique et constitué d’un cytoplasme dans lequel se trouve le matériel génétique. Dans certaines cellules, le matériel génétique est enfermé dans un noyau. Ces cellules sont appelées eucaryotes. C’est le cas des animaux, des végétaux et des champignons, de tous les organismes pluricellulaires. Dans d’’autres cellules, le matériel génétique est directement dans le cytoplasme. Ces cellules sans noyau sont appelées procaryotes (cellules bactériennes). Contrairement aux cellules procaryotes, les cellules eucaryotes possèdent des compartiments internes délimités par une ou deux membranes appelés organites. Chacun d’eux a une fonction précise. Le schéma et le tableau cidessous présentent les principaux organites d’une cellule animale et leurs fonctions.

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Membrane plasmique

Noyau Reticulum Endoplasmique Granuleux (REG) Reticulum Endoplasmique Lisse (REL) Ribosomes

Appareil de Golgi Mitochondrie

Lysosome Cytosquelette

Limite externe de la cellule Frontière semi-perméable et sélective (transports, transferts, échanges) Zone de réception des messages Zone de reconnaissance intercellulaire et d’adhérence cellulaire Entouré d’une membrane double, l’enveloppe nucléaire, et contient la chromatine (ADN + protéines), support de l’information génétique = RER (Rugueux) Réseau de membranes formant des citernes En continuité avec l’enveloppe nucléaire Synthèse et maturation des protéines (membranaires, lysosomales, sécrétées) Biosynthèse des lipides ; cholestérol et hormones stéroïdes ; stockage du calcium

Petites structures, non limitées par une membrane Formés de deux sous-unités Soit à l’état libre, soit attachés aux faces externes de la membrane du RE constituant Lieu d’assemblage des acides aminés pour former la chaîne polypeptidique Emballe, modifie et isole les protéines destinées à être sécrétées Centrale énergétique de la cellule Organite semi-autonome = contient de l’ADN et ses propres ribosomes ; Double membrane Respiration cellulaire (phosphorylation oxydative), lieu ultime de dégradation du glucose Vésicules de sécrétion golgiennes Digestion intracellulaire par les hydrolases acides Microtubules (tubulines) : soutien et mobilité cellulaire ; responsables du trafic cellulaire Microfilaments (actine et myosine) : Système contractile intracellulaire ; forme de la cellule Filaments intermédiaires : Résistance mécanique de la cellule

La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants. L'organisation pluricellulaire implique la spécialisation des cellules et leur coopération. Les cellules s'associent pour former des tissus, puis des organes spécialisés dans la prise en charge d'une ou plusieurs fonctions de l'organisme. Le fonctionnement coordonné de l'ensemble des cellules, des tissus et des organes permet la vie de l'organisme pluricellulaire. Ainsi chez les êtres vivants pluricellulaires, toutes les cellules ne sont pas identiques : elles diffèrent par leur forme, les organites qu’elles renferment, les molécules qu’elles possèdent ou qu’elles produisent. On dit que les cellules sont spécialisées. Cette spécialisation est à mettre en relation avec leur fonction. Un neurone, un globule rouge ou une cellule musculaire sont des exemples de cellules spécialisées. Ainsi, on estime qu’un être humain par exemple est constitué d’environ 30 000 milliards de cellules appartenant à plus de 200 types cellulaires différents. La spécialisation cellulaire est un mécanisme permettant à une cellule d'acquérir une structure, notamment avec des organites, de synthétiser des molécules (par exemple des enzymes) lui permettant de réaliser une fonction précise. Comme toutes les cellules d’un même organisme contiennent la même information génétique, la spécialisation résulte de l’expression contrôlée des gènes.

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III- La matrice extracellulaire Chez les organismes pluricellulaires, les cellules organisées en tissus sont entourées par une matrice extracellulaire. Elle est constituée de grosses molécules, principalement de protéines telles que le collagène et l’élastine chez les animaux, synthétisées et sécrétées par les cellules. Elle peut être liquide, gélatineuse ou solide suivant les tissus. Elle joue de très nombreux rôles et notamment elle sert de support et de soutien aux tissus en permettant l'adhérence et la cohésion des cellules entre elles. La matrice extracellulaire est une structure dynamique capable d’interagir avec les cellules et dont certains composants, pour répondre aux fonctions cellulaires tout au long de l’existence, peuvent être détruits, reconstruits, ou remodelés. Remarque : les parois des cellules végétales représentent une matrice extracellulaire équivalente à celles rencontrées chez les animaux mais elles sont constituées principalement de glucides.

IV- Le métabolisme cellulaire Une cellule n’est pas seulement l’unité de structure constitutive des êtres vivants. Il se déroule dans le cytoplasme et les organites d’une cellule des milliers de transformations biochimiques, nécessaires à son fonctionnement : c’est ce qu’on appelle le métabolisme. Ces réactions biochimiques ont lieu soit directement dans le cytoplasme, soit dans des organites spécifiques. Le métabolisme s’effectue par étapes : une voie métabolique est une succession de réactions biochimiques qui s’enchaînent, le produit d’une réaction étant lui-même transformé à son tour, et ainsi de suite. Chaque réaction nécessite l’intervention d’une protéine (macromolécule) appelée enzyme qui catalyse la réaction, c’est-à-dire qui permet que la réaction chimique s’accomplisse rapidement et dans les conditions qui sont celles de la cellule. Ainsi, le métabolisme dépend de l’équipement spécialisé des cellules, en organites et en enzymes, qui diffère selon les cellules et les organismes. Schéma d’une voie métabolique :

On peut distinguer deux grands types de voies métaboliques Il peut s’agir de biosynthèses, c’est-à-dire des transformations dont le résultat est la fabrication d’une nouvelle molécule. Il peut aussi s’agir d’une dégradation de molécules de façon à obtenir l’énergie nécessaire au fonctionnement cellulaire. C’est le métabolisme énergétique. Ces deux aspects qui caractérisent tout métabolisme sont nécessaires et complémentaires. L’ensemble des réactions de biosynthèses est qualifié d’anabolisme alors que les réactions de dégradation constituent le catabolisme. La respiration cellulaire est un ensemble de réactions biochimiques qui appartient au métabolisme énergétique. Lors de la respiration cellulaire, une molécule organique, le glucose (C6H12O6), est consommée par la cellule ainsi que du dioxygène (O2). Cela permet de fabriquer des molécules énergétiques appelées ATP. La respiration cellulaire conduit au rejet de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H 2O). L’essentiel des réactions du métabolisme de la respiration se déroule dans des organites spécialisés, les mitochondries. Equation de la respiration cellulaire : C6H12O6 + 6 O2 => 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP Les fermentations sont une autre façon de transformer un métabolite organique pour obtenir de l’énergie : une fermentation se déroule dans le cytoplasme, et ne nécessite donc pas d’organite spécialisé. Certaines fermentations ne nécessitent pas de réaction avec le dioxygène. La dégradation du métabolite organique est toujours incomplète : il se forme un produit qui contient encore de l’énergie utilisable, comme par exemple de l’alc ool. La photosynthèse est un ensemble de réactions biochimiques qui relèvent à la fois du métabolisme énergétique et des biosynthèses. Il y a tout d’abord synthèse de molécules énergétiques qui sont ensuite utilisées pour produire une molécule organique. La photosynthèse nécessite de la lumière, du dioxyde de carbone et de l’eau et conduit au rejet de dioxygène. . La molécule fabriquée est du glucose que la cellule va utiliser pour produire d’autres molécules organiques. La photosynthèse n’a lieu que dans un seul type d’organite, le chloroplaste. Equation de la photosynthèse : 6 CO2 + 6 H2O + lumière => C6H12O6 + + 6 O2 Une cellule capable de produire sa propre matière organique à partir seulement de matière minérale est dite autotrophe. Ainsi les cellules qui réalisent la photosynthèse sont autotrophes. C’est le cas des cellules végétales et de quelques espèces de procaryotes. Une cellule qui fabrique sa propre matière organique à partir d’une autre matière organique est dite hétérotrophe. Les cellules des organismes hétérotrophes tels que les animaux doivent obligatoirement trouver dans leur milieu les éléments organiques nécessaires à leur métabolisme. Fiches de synthèse - Programmes de Première et Terminale Tous droits réservés - Ne pas diffuser

Certaines molécules sont impliquées dans plusieurs voies métaboliques. Elles constituent alors des « plaques tournantes » permettant l’interconnexion des voies métaboliques. C’est par exemple le cas du glucose. Il est produit par la photosynthèse et il est dégradé lors de la respiration cellulaire, ou lors de la fermentation alcoolique. Il intervient également comme matière première dans la synthèse de macromolécules de réserve (amidon, glycogène) ou encore d’autres molécules organiques (protéines, lipides). Les métabolismes sont donc complémentaires : la respiration des êtres vivants serait impossible sans la photosynthèse réalisée par les plantes. Les voies métaboliques d’une cellule, d’un organisme, ou d’un organisme à l’autre sont interconnectées par des molécules intermédiaires. Ainsi, les cellules des êtres vivants échangent de la matière et de l’énergie au niveau de la cellule mais aussi au niveau du tissu, de l’organe ou de l’organisme entier et avec leur environnement.

POUR ALLER PLUS LOIN - L'organisme pluricellulaire : un ensemble de cellules spécialisées. Chez les organismes unicellulaires, toutes les fonctions sont assurées par une seule cellule. Chez les organismes pluricellulaires, les organes sont constitués de cellules spécialisées formant des tissus, et assurant des fonctions particulières. https://youtu.be/uOFWBayzsk0

- La vie pluricellulaire : Comprendre la structure des cellules, leur organisation https://youtu.be/dU1Xpzgw4BU (jusqu’à 11’25’’)

- Le métabolisme des cellules https://youtu.be/pcyHFChGFbk

APPLICATIONS VRAI ou FAUX Repérez les informations exactes et corriger celles qui sont fausses en justifiant la réponse. 1. Une cellule eucaryote est une cellule sans organite. 2. La cellule est la plus petite unité vivante que l’on connaisse. 3. Une membrane cellulaire est une frontière perméable qui délimite une cellule. 4. Chez les bactéries, il n’y a pas d’information génétique car ce sont des cellules procaryotes. 5. Une cellule échange de la matière avec son environnement. 6. Le métabolisme d’une cellule n’est pas codé génétiquement. 7. Le métabolisme d’une cellule ne dépend pas des conditions du milieu dans lequel elle se trouve. 8. Les bactéries sont des cellules procaryotes dépourvues de métabolisme. 9. Toutes les cellules d’un organe assurent la même fonction. 10 À l’intérieur d’une cellule spécialisée, il n’y a qu’un seul type d’organite. 11. La cellule d’un organisme unicellulaire peut avoir plusieurs fonctions. QCM Pour chaque proposition, identifiez la ou les bonne(s) réponse(s) et corrigez les autres: 1. Les organismes pluricellulaires se distinguent des organismes unicellulaires par : a. La présence d’une membrane b. La présence d’un cytoplasme c. La présence d’une matrice liquide d. La présence d’une matrice liant les cellules entre elles 2. Une cellule procaryote ne contient pas : a. de cytoplasme b. de membrane plasmique c. de noyau d. d’ADN

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3. Le métabolisme : a. est un ensemble de réactions physiques qui se produisent dans la cellule b. est un ensemble de réactions chimiques qui se produisent dans la cellule c. est le même pour toutes les cellules d. dépend de l'information génétique de la cellule e. peut être influencé par l'environnement dans lequel se trouve la cellule 4. L'énergie produite lors du métabolisme d'une cellule : a. est parfois produite par fermentation b. dépend du milieu de vie de la cellule c. nécessite des échanges entre la cellule et son milieu de vie d. dépend du type d'organisme et donc de son information génétique e. est produite uniquement par la respiration cellulaire 5. Les cellules eucaryotes : a. possèdent des organites b. ne possèdent jamais de noyau c. sont toujours limitées par une membrane plasmique d. possèdent un noyau délimité par une enveloppe nucléaire e. ont généralement une taille plus faible que les cellules procaryotes 6. La synthèse de matière organique à partir de matière minérale : a. nécessite de l'énergie lumineuse b. s'appelle la respiration cellulaire c. s'appelle la photosynthèse d. est réalisable par tous les organismes vivants 7. Des bactéries sont mises en suspension dans un milieu de culture et on mesure la concentration en divers gaz au cours du temps. Les résultats sont indiqués dans les tableaux A et B.

A partir des résultats, on peut affirmer que ces bactéries : a. rejettent dans l’air du CO2 b. rejettent dans l’air du CO2 et de l’O2 c. réalisent la respiration cellulaire d. prélèvent dans l’air du CO2 et du O2 e. réalisent la photosynthèse f. n’échangent pas de O2 avec l’air 8. On mesure la concentration de glucose en mmol par minute de deux lignées de cellules dans des conditions différentes : W : cellules non cancéreuses (lignée 1) en milieu normalement oxygéné X : cellules non cancéreuses (lignée 1) en milieu peu oxygéné Y : cellules cancéreuses (lignée 2) en milieu normalement oxygéné Z : cellules cancéreuses (lignée 2 en milieu peu oxygéné Les cellules cancéreuses présentent des mutations (modification de l’ADN) sur des gènes qui contrôlent le bon déroulement de la division cellulaire.

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D’après ces résultats, on peut affirmer que : les cellules de la lignée 2 consomment plus de glucose que celles de la lignée 1les mutations entrainent toujours l’apparition de cellules cancéreuseslorsqu'elles manquent de dioxygène, les cellules consomment davantage de glucose qu’avec du O2les cellules des deux lignées consomment du glucoselorsqu'elles sont normalement oxygénées, les cellules cancéreuses consomment plus de glucose que sans O2le métabolisme des cellules ne dépend pas du patrimoine génétique

EXERCICE

1. Décrire l’évolution des quantités de différentes molécules mesurées 2. En déduire les échanges caractérisant le métabolisme chez la levure dans différentes conditions 3 .Conclure sur le rattachement de la fermentation au métabolisme autotrophe ou hétérotrophe

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CORRECTION VRAI ou FAUX 1. Faux. 2. Vrai. 3. Vrai. On dit que la membrane est semi perméable car sa perméabilité est sélective. 4. Faux. Il n’y a pas de noyau mais il y a un chromosome dans le cytoplasme. 5. Vrai. 6. Faux. Il existe des gènes codant pour les enzymes nécessaires au métabolisme. 7. Faux. L’environnement peut avoir une influence sur l’expression des gènes codant pour les enzymes ou sur l’activité de ces enzymes par exemple. 8. Faux. Les bactéries sont des cellules procaryotes, mais comme toute cellule vivante, elles possèdent un métabolisme. 9. Faux. Dans un organisme pluricellulaire, les cellules sont spécialisées. 10 Faux. 11. Vrai. Elle doit assurer toutes les fonctions nécessaires à sa vie.

QCM 1. d. 2. c. 3. b, d, e. 4. a, b, c, d. 5. a, c, d 6. a, c 7. a, f. (c. Faux : il n’y a pas de consommation d’O2) 8. d, e. (f Faux : les cellules cancéreuses sont mutées, leur patrimoine génétique est donc différent des cellules non cancéreuses et les résultats montrent que leur consommation de glucose est moindre.) EXERCICE 1. La quantité de dioxygène diminue rapidement pour devenir nulle après 200s. La quantité de glucose diminue également rapidement pendant la même période, puis continue de diminuer après 200s mais plus lentement. Durant toute la durée de l’expérience, la quantité de dioxyde de carbone augmente. La quantité d’éthanol n’augmente significativement qu’après 200s. Auparavant elle est quasi-nulle 2. Jusqu’à 200 s, il reste du dioxygène dans l’enceinte. Les levures sont en aérobi ose. Elles consomment le dioxygène et produisent du dioxyde de carbone. Cela correspond à la respiration. Elles consomment également du glucose qui est le substrat de ce processus métabolique (la respiration correspond à une oxydation complète du glucose pour produire de l’énergie). Lorsque les levures ne disposent plus d'oxygène (après 200 s), elles continuent à consommer du glucose et elles produisent du dioxyde de carbone et de l’éthanol. On peut donc en conclure qu’en anaérobiose, le mét...