T3_C1_1_Evaluer la biodiversité

 Thème 3 : Une histoire du vivant

Rappel Seconde :

Le terme de biodiversité* est utilisé pour désigner la diversité du vivant et sa dynamique aux différentes échelles :

- les variations entre membres d'une même espèce au sein d'une population* : la diversité génétique (= diversité des allèles*)

- les différentes espèces* des différents taxons* au sein des écosystèmes : la diversité spécifique,

- les différents écosystèmes* (= biocénose* + biotope*) au sein de la biosphère*.

Les trois niveaux de biodiversité sont emboîtés et définissent la biosphère

    La Terre est habitée par une grande diversité d’êtres vivants. Cette biodiversité est dynamique et issue d’une longue histoire dont l’espèce humaine fait partie. L’évolution constitue un puissant outil de compréhension du monde vivant. Les activités humaines se sont transformées au cours de cette histoire, certaines inventions et découvertes scientifiques ont contribué à l’essor de notre espèce. 

T3_C1_La biodiversité et son évolution

T3_C1_1_Evaluer la biodiversité

Évaluer la biodiversité à différentes échelles spatiales et temporelles représente un enjeu majeur pour comprendre sa dynamique et les conséquences des actions humaines.

Savoirs

Il existe sur Terre un grand nombre d’espèces dont seule une faible proportion est effectivement connue.

La biodiversité se mesure par des techniques d’échantillonnage de spécimens (voir A2 : Méthode des Quadrats) ou ADN (voir A1 : Barcoding et Métabarcoding) qui permettent d’estimer la richesse spécifique, c'est-à-dire le nombre d’espèces dans différents milieux. Les composantes de la biodiversité peuvent aussi être décrites par l’abondance d’une espèce ou d’un plus grand taxon, c'est à dire le nombre d’individus d’une population pour une espèce ou un taxon. 

Il existe plusieurs méthodes permettant d’estimer un effectif à partir d’échantillons. La méthode de « capture-marquage-recapture » (voir A3 : CMR) repose sur des calculs effectués sur un échantillon. Si on suppose que la proportion d’individus marqués est identique dans l’échantillon de recapture et dans la population totale, l’effectif de celle-ci s’obtient par le calcul d’une quatrième proportionnelle. 

La démonstration faite en classe est à connaître.
Dans ce cas : N = (M x m) / n

À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population peut également être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance. Une telle estimation est toujours assortie d’un niveau de confiance strictement inférieur à 100 % en raison de la fluctuation des échantillons. Pour un niveau de confiance donné, l’estimation est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est grande.

La dernière formule simplifiée de IC95%, ci-dessus, est à connaitre et à comprendre.
(ici f est la fréquence d'un caractère, n est l'effectif total de l'échantillon où l'on observe cette fréquence)

Savoir-faire

A1 & A2 - Exploiter des données obtenues au cours d’une sortie de terrain ou d’explorations scientifiques (historiques et/ou actuelles) pour estimer la biodiversité (richesse spécifique et/ou abondance relative de chaque taxon). 

A2 - Quantifier l’effectif d’une population ou d’un taxon plus vaste à partir de résultats d’échantillonnage. 

A3 - Estimer une abondance par la méthode de capture, marquage, recapture, fondée sur le calcul d’une quatrième proportionnelle.
A3 - À l’aide d’un tableur, simuler des échantillons de même effectif pour visualiser la fluctuation d’échantillonnage (moyenne et écart-type). 

A3 - En utilisant une formule donnée pour un intervalle de confiance au niveau de confiance de 95 %, estimer un paramètre inconnu dans une population de grande taille à partir des résultats observés sur un échantillon.

BILAN : 

Transition : L'évaluation répétée des populations montrent qu'elles évoluent au cours du temps. Des modèles mathématiques probabilistes et des outils statistiques permettent d’étudier les mécanismes évolutifs impliqués.

T1_C1_4_L’expression du patrimoine génétique

T1_C1_4_L’expression du patrimoine génétique 

    T1_C1_4_1 Les étapes de l'expression des gènes

La séquence de l'ADN, succession des quatre désoxyribonucléotides (A - T, G - C) le long des brins complémentaires de la molécule, est une information. Cette information est transmise de générations en générations.

A5 :

-  Mener une démarche historique ou une étude documentaire permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts.
-  Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse et la présence d'ARN dans différents types cellulaires ou dans différentes conditions expérimentales.

À chaque génération, cette information est exprimée par l’intermédiaire d’un autre acide nucléique : l’ARN.

Comparaison de la molécules d'ARN et d'ADN

L'ARN est une molécule simple brin (linéaire : ARNpm, ARNm, ou avec une structure 3D : ARNt, ARNr,..) constituée de quatre ribonucléotides complémentaires (A - U ; G - C)

Les molécules d'ARN sont synthétisées par complémentarité des nucléotides à partir de l'ADN (brin transcrit) lors d’un processus dénommé transcription mettant en jeu un complexe de protéines enzymatiques dont l'ARN polymérase.

Electronographie de la transcription de l'ADN en ARNpm

vidéo de la modélisation moléculaire du complexe enzymatique de la Transcription

Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et certains des ARN formés, après maturation éventuelle (épissage simple ou épissage alternatif de l'ARNpm en ARNm), sont exportés dans le cytoplasme.

Le transfert des ARN de l'intérieur du noyau vers le cytoplasme s'effectue via les pores nucléaires, des canaux protéiques qui traversent l'enveloppe nucléaire.

Les méthodes de marquage moléculaire (fluorescence et autoradiographie) et de microscopie électronique (cryofracture, ombrage aux métaux lourds) ont permis de localiser les structures et visualiser le parcours de l'ARN dans la cellule.

Parmi tous les ARN, se trouvent les ARN messagers (ARNm) qui dirigent la synthèse de protéines lors d’un processus dénommé traduction.

Bilan 1 :

 

T1_C1_4_2 Le code génétique

Le code génétique est un système de correspondance, universel à l’ensemble du monde vivant, avec des redondances (plusieurs codons (un codon = 3 ribonucléotides) codent pour un même acides aminés) qui permet la traduction de l’ARN messager en polypeptides (futures protéines).  

L'information génétique portée par une molécule d'ARN messager (ARNm = message génétique) est ainsi convertie en une information fonctionnelle (la séquence des acides aminés de la protéine) : c'est la traduction.

T1_C1_4_3 L'expression des gènes à l'origine du phénotype

Le phénotype résulte de l’ensemble des produits de l’ADN (protéines et ARN) présents dans la cellule. Il dépend du patrimoine génétique (le génotype) et de son expression (facteurs de transcription). L’activité ou l'expression des gènes de la cellule est régulée sous l’influence de facteurs internes à l’organisme (développement) et de facteurs externes (réponses aux conditions de l’environnement). 

Le phénotype à différente échelle est contrôlé par des facteurs internes et par des facteurs externes en utilisant l'intermédiaire de facteur de transcription.

La différenciation cellulaire : l'expression des gènes responsables de la spécialisation cellulaire est estimée par la présence des ARNm correspondant, par exemple grâce à des puces à ADN.

L'expression des gènes est contrôlée par des facteurs de transcription (exemple du second messager de l'hormone EPO, contrôle de l'expression des gènes de l'hémoglobine)

Notions fondamentales : transcription, traduction, pré-ARNm, ARNm, codon, riboses, génotype, phénotype. 

Objectifs : les élèves relient un gène à ses produits (ARN et protéines) et comprennent ainsi que l’existence d'une étape intermédiaire (ARN) permet de nombreuses régulations. Ils appréhendent la différence essentielle entre information et code. 

Capacités 

-  Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n nucléotides de longueur quand n grandit. Comparer à un code binaire utilisé en informatique.
-  Calculer le nombre de combinaisons possibles de séquences de n acides aminés quand n grandit. Comparer au calcul réalisé pour l’ADN.
-  Mener une démarche historique ou une étude documentaire sur le séquençage des macromolécules (protéines, ARN et ADN).
-  Mener une démarche historique ou une étude documentaire permettant de comprendre comment les ARN messagers ont été découverts.
-  Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse et la présence d'ARN dans différents types cellulaires ou dans différentes conditions expérimentales.
-  Étudier les expériences historiques permettant de comprendre comment le code génétique a été élucidé.
-  Concevoir un algorithme de traduction d’une séquence d’ARN et éventuellement le programmer dans un langage informatique (par exemple Python).
-  Rechercher et exploiter des documents montrant la synthèse de protéines hétérologues après transgénèse (illustrant l’universalité du code génétique).
-  Caractériser à l’aide d’un exemple les différentes échelles d’un phénotype (moléculaire, cellulaire, de l’organisme).

Précisions : les nombreuses catégories d'ARN, les processus de maturation des ARN, et les processus moléculaires de transcription et de traduction (avec les ARNt et ARNr) sont hors programme. 

T1_C1_3 Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

 T1_C1_3 Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule. La catalyse accélère les réactions chimiques intracellulaires des différentes voies métaboliques permettant les grandes fonctions de la cellule (digestion, respiration, photosynthèse, stockage de réserve,…)

Schéma théorique de deux voies métaboliques connectées dans une cellule.

Les enzymes ou ases, comme toutes protéines, sont constituées d’une ou plusieurs chaînes d’acides aminés, repliées sur elles-mêmes et parfois associées entre-elles.

L'organisation de la structure 3D d'une protéine

La structure tridimensionnelle d’une enzyme (E) forme un site actif qui lui permet d’interagir avec un substrat spécifique (S) en formant un complexe transitoire enzyme-substrat (E-S). Ce complexe E-S facilite les réactions chimiques d’association ou de dégradation moléculaire, ce qui accélère la formation de nouveaux produits moléculaires (P), sans que l’enzyme soit pour autant modifiée :

E + S —> E-S —> E + P

(S est transformé en P ; E-S est un état transitoire ; E reste inchangé )

Deux types de réaction enzymatique : Catabolisme (dégradation moléculaire, en haut) et Anabolisme (synthèse moléculaire, en bas)

Cette structure 3D et le site actif sont très sensibles aux conditions du milieu cellulaire (pH, température, concentration en substrat,…). Ils expliquent aussi la cinétique des réactions catalytiques du métabolisme cellulaire, exprimée par le paramètre Vi pour Vitesse initiale de la réaction. Cette valeur correspond au coefficient directeur de la droite tangente en t=0 à la courbe d'apparition d'un produit P lors de la réaction enzymatique.

Les enzymes étant des protéines, elles sont les produits directs de l’expression de gènes qui les codent. Elles sont donc sensibles au mutations.

D’autre part, elles sont les marqueurs de la spécialisation cellulaire.

Rappel seconde : Dans les tissus biologiques, les cellules spécialisées ont une forme et une fonction particulière. Elles n'expriment qu'une partie de leurs gènes.

Par exemple : Chez l’Homme, environ 23 000 gènes par cellule > 250 gènes exprimés en protéines dont 85 sont des enzymes > voies métaboliques particulières => spécialisation cellulaire

BILAN : Les enzymes, issus de l’expression génétique d’une cellule, sont essentiels à la vie cellulaire et sont aussi des marqueurs de sa spécialisation.

Notions fondamentales : catalyse, substrat, produit, spécificité.

Capacités

- Étudier les relations enzyme-substrat au niveau du site actif par un logiciel de modélisation moléculaire.

- Concevoir et réaliser des expériences utilisant des enzymes et permettant d’identifier leurs spécificités.

- Étudier des profils d’expression de cellules différenciées montrant leur équipement enzymatique.

- Étudier l’interaction enzyme-substrat en comparant les vitesses initiales des réactions et faisant varier soit la concentration en substrat ; soit en enzyme. Utiliser des tangentes à t0 pour calculer la vitesse initiale.