L’ATP et la bioluminescence du lampyre

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie et cellule vivante
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2008 | Académie : Pondichéry
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
L’ATP et la bioluminescence du lampyre
 
 

Énergie et cellule vivante

Corrigé

42

Spécialité

svtT_0805_12_00C

 

Pondichéry • Mai 2008

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

Le lampyre est un insecte capable d’émettre une lumière : ce phénomène se nomme la bioluminescence. La femelle garde toute sa vie un aspect larvaire, d’où le nom de ver luisant parfois utilisé pour désigner le lampyre. Ces signaux lumineux servent notamment à la parade amoureuse.

> À partir de l’étude des documents mise en relation avec vos connaissances, montrez comment l’ATP intervient dans ce phénomène et comment il est produit dans la cellule.

Document 1

Expériences de bioluminescence réalisées in vitro

 

Tubes

Contenus des tubes

Résultats

1

Luciférine + ATP + luciférase

Aucune lumière produite

2

Luciférine + O2+ luciférase

Aucune lumière produite

3

Luciférine + ATP + O2+ luciférase

Émission d’une lumière
 

Remarque. La luciférine et la luciférase (enzymes) sont présentes dans le cytoplasme des cellules du lampyre. La luciférine est le substrat de la luciférase. L’oxygène intervient dans une réaction d’oxydation du complexe luciférine - luciférase.

Document 2

Consommation de dioxygène
par des mitochondries isolées

Des mitochondries sont isolées à partir de cellules animales. À l’aide d’un système ExAO (expérimentation assistée par ordinateur), on suit la concentration en dioxygène du milieu dans les conditions expérimentales ci-après :


 

D’après SVT spécialité, Didier.

Document 3

Intensité lumineuse (IL) en fonction de la concentration en ATP du milieu (µg·mL–1)

Un extrait d’abdomen de lampyre est placé en présence de dioxygéne. On mesure l’intensité lumineuse selon la concentration d’ATP du milieu.


 

D’après www.didier-pol.net.

Comprendre le sujet

  • Le libellé du sujet souligne que les documents fournis se rapportent à deux aspects du métabolisme de l’ATP dans la cellule : son intervention dans la bioluminescence d’une part, sa production dans la cellule d’autre part.
  • Il faut d’abord trouver les documents qui se rapportent à chacun de ces aspects : les documents 1 et 3 pour le premier aspect, le document 2 pour le second. Il est donc légitime de ne pas exploiter les documents dans l’ordre mais d’envisager le document 3 après le document 1 qu’il complète.
  • Les documents 1 et 3 se rapportent à un phénomène que vous n’avez pas étudié en classe ; ils font donc essentiellement appel à la rigueur du raisonnement à partir des informations extraites des documents. La seule connaissance générale que vous devez mobiliser a trait au mode d’action des enzymes, en liaison avec la vitesse d’une réaction enzymatique en fonction de la concentration du substrat.
  • En revanche, l’interprétation du second document implique de mobiliser les connaissances sur les conditions de synthèse d’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique.
  • Il est nécessaire de faire un bilan montrant que vous avez bien compris comment les réactions de bioluminescence dépendent de la respiration mitochondriale.

Mobiliser ses connaissances

L’ATP est une molécule indispensable à la vie cellulaire. Toutes les activités des cellules consomment des intermédiaires métaboliques, en particulier de l’ATP. L’ATP n’est pas stocké mais régénéré aussi vite qu’il est détruit. Toute cellule vivante régénère son ATP en oxydant des molécules organiques par processus respiratoire ou fermentaire.

Corrigé

Exploitation du document 1

On constate qu’il n’y a émission de lumière que dans le tube 3. La seule différence entre les tubes 2 et 3 résidant dans la présence d’ATP dans le tube 3, on peut conclure que l’ATP est indispensable pour que les réactions aboutissant à l’émission de lumière aient lieu. De même la comparaison des ­conditions expérimentales des tubes 1 et 3 indique que le dioxygène est aussi indispensable. La luciférase est l’enzyme qui catalyse une réaction d’oxydation de la luciférine qui s’accompagne d’émission de lumière : il y a conversion d’énergie chimique en énergie lumineuse. L’ATP est indispensable à la réalisation de la réaction d’oxydation catalysée par la luciférase mais rien dans les données du document 1 ne permet de préciser son rôle précis.

Exploitation du document 3

 

En l’absence de précision sur les conditions expérimentales qui permettent d’obtenir une intensité maximale, on ne peut expliquer pourquoi le palier de la courbe est atteint à une intensité légèrement supérieure à 40 % du maximum.

L’extrait d’abdomen du lampyre contient de la luciférase et son substrat puisque dans le document 1 il est indiqué que la luciférase et la luciférine sont présentes dans le cytoplasme des cellules du lampyre. On étudie donc l’intensité de la réaction catalysée par l’enzyme en fonction de la concentration en ATP du milieu. On constate que la courbe a globalement la forme d’une hyperbole : dans un premier temps l’intensité lumineuse produite est proportionnelle à la concentration d’ATP, ensuite lorsque la concentration de l’ATP dépasse 200 μg par mL, la pente de la courbe diminue pour devenir quasi nulle au-delà de 800 μg par mL. Cette courbe est semblable à celle de la vitesse d’une réaction enzymatique en fonction de la concentration du substrat. On peut donc dire qu’au même titre que la luciférine, l’ATP est un substrat dans la réaction catalysée par l’enzyme ; il doit donc être consommé au cours de la réaction.

Exploitation du document 2

En mesurant la diminution de la concentration en dioxygène du milieu, on évalue l’intensité de la respiration des mitochondries. Dans un premier temps lorsque la courbe est horizontale, les mitochondries ne respirent pas, et ce même après ajout de glucose. Les mitochondries ne sont donc pas capables d’utiliser le glucose comme substrat pour leur respiration. L’ajout de pyruvate entraîne une baisse de la concentration de O2, ce qui indique que les mitochondries utilisent le pyruvate comme substrat respiratoire. L’injection d’ADP et de phosphate inorganique entraîne une chute rapide de la concentration en O2, ce qui souligne une activation de la respiration mitochondriale. La pente de la courbe diminue ensuite pour devenir quasi nulle, ce qui signifie que l’ADP et le phosphate inorganique disparaissent : en réalité il y a synthèse d’ATP à partir de l’ADP et du phosphate inorganique ajoutés.

 

Avec les données fournies, on ne peut expliquer pourquoi la respiration mitochondriale reprend, après être devenue quasi nulle, comme le traduit la dernière partie de la courbe (au-delà de 18 minutes environ).

Ainsi la respiration mitochondriale dépend non seulement de l’apport de ­pyruvate et du dioxygène mais aussi de la disponibilité en ADP et phosphate inorganique. Cela traduit un couplage entre les réactions d’oxydation du substrat organique (le pyruvate) et la synthèse d’ATP : l’énergie libérée par l’oxydation du substrat permet la synthèse d’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique.

Bilan

Dans le cytoplasme des cellules de l’abdomen du lampyre émettrices de lumière, l’ATP est consommé au cours de la réaction d’oxydation de la luciférine catalysée par la luciférase. En même temps l’oxydation du pyruvate (provenant de la dégradation du glucose dans le hyaloplasme) dans les mitochondries est couplée à la synthèse d’ATP. L’ATP produit dans les mitochondries passe constamment dans le hyaloplasme où il est indispensable à la réalisation des réactions émettrices de lumière.