Mécanismes énergétiques liés au fonctionnement de la pompe Na+-K+

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie et cellule vivante
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2016 | Académie : France métropolitaine

 

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 &ndash  70 mV de la cellule nerveuse.

 

 À partir de l’exploitation des documents et de l’utilisation des connaissances, expliquez 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

svtT_1606_07_03C_01

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 Mesures de concentrations intracellulaires en ions Na+ et K+ pour un neurone dans différents milieux de culture

Composition du milieu

Na+
en mmol &sdot  l&ndash 1

K+
en mmol &sdot  l&ndash 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

Rappel : le pyruvate est le produit final de la glycolyse.

D’après ddata.over-blog.com

Document 3 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.

svtT_1606_07_03C_02

D’après SVT, collection Duco, 2012

Document 4 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.

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De l’ATP ajouté à l’eau de mer mais non injecté dans le neurone n’a aucun effet.

D’après www.didier-pol.net/6SET696.html

Les clés du sujet

Comprendre le sujet

Même si le support documentaire est relatif à la cellule nerveuse, il s’agit bien d’une question portant sur l’énergétique cellulaire, à savoir les mécanismes producteurs et consommateurs d’ATP dans la cellule.

Dans un premier temps, il faut montrer que le fonctionnement de la pompe entretient les différences de concentrations ioniques entre les milieux extra- et intracellulaires en consommant de l’ATP. L’ATP est la seule source d’énergie qu’utilise la pompe pour fonctionner. Il faut alors signaler que la cellule ne possède pas de réserves d’ATP  le fonctionnement de la pompe est donc tributaire d’une production permanente d’ATP par la cellule. Dans un deuxième temps, l’exploitation des documents doit avoir pour objectif de dégager les mécanismes producteurs d’ATP dans la cellule.

Le document 2 fournit des résultats d’expériences différant par divers paramètres. Dans ce cas, il est judicieux d’utiliser la méthode comparative, c’est-à-dire comparer les résultats d’expériences différant par un seul paramètre plutôt que d’analyser les résultats d’expériences un par un.

Les informations sur le fonctionnement de la pompe sont fournies par deux types de données. Un premier type, direct, est une information sur l’intensité des échanges ioniques entre les milieux extra- et intracellulaires. Un deuxième type, indirect, est la valeur des concentrations ioniques dans les deux milieux par rapport à la référence que constituent les valeurs physiologiques. Un écart important indique que la pompe ne fonctionne pas.

Mobiliser ses connaissances

L’ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules.

La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L’oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs dans la mitochondrie. Dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits RH2.

La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction du dioxygène en eau. Ces réactions s’accompagnent d’une production d’ATP qui permet les activités cellulaires.