Mise en évidence des échanges cellulaires par marquage

Sujet sans enseignement de mathématiques spécifique

Enseignement scientifique première

Durée 1h – 10 points – Thème « Une longue histoire de la matière »

Les molécules organiques sont constituées de différents atomes, dont l’atome de carbone. Dans les techniques de marquage radioactif, les scientifiques peuvent synthétiser, en laboratoire, des molécules contenant des atomes radioactifs. Grâce à ce procédé, on peut détecter la présence et les mouvements de ces molécules radioactives au sein de la cellule ainsi qu’entre la cellule et son environnement.

L’objectif est de comprendre l’utilisation d’un marquage radioactif pour déterminer l’action d’une substance, la cytochalasine, sur les échanges entre la Levure (Champignon unicellulaire) et son environnement.

Partie 1 – Marquage radioactif du glucose

Document 1 – Courbe de décroissance radioactive du carbone 11

Source personnelle

Document 2 – Courbe de décroissance radioactive du carbone 14

Source personnelle

1 – À partir des documents 1 et 2, expliquer la démarche qui permet de déterminer graphiquement les demi-vies du ¹¹C et du ¹⁴C et donner leurs valeurs.

Pour trouver la demi-vie sur le graphique du document 1 et respectivement, on prend en ordonnée N₀/2 ici 10000/2 =5000 et on trouve l’abscisse qui correspond à la demi-vie.

Par lecture graphique on obtient pour  ¹¹C: t_1/2=20 min

Par lecture graphique on obtient pour  ¹⁴C: t_1/2=5700 ans

2 – Un nombre initial de 10 000 noyaux de ¹⁴C est présent dans un échantillon de glucose marqué au ¹⁴C. Calculer, en expliquant le raisonnement, le nombre de noyaux de ¹⁴C restants au bout de quatre demi-vies.

Méthode 1 :

Temps	Nombre de noyaux de carbone 14 encore présent
Initialement : t =0	10 000
t= t1/2
t= 2xt1/2
t= 3xt1/2
t= 4xt1/2

Méthode 2 :

À chaque demi vie, la moitié des noyaux se sont désintégrés. Au bout de n demi vie il reste :

   

Au bout de 4 fois la demi-vie :

   

   

N=625

Au bout de 4 fois la demi-vie :

Si le nombre de noyaux initial dans l’échantillon est de 10 000 noyaux, il reste 625 noyaux de carbone 14 au bout de quatre demi-vies

3 – À partir du document 2, déterminer la durée nécessaire pour obtenir un nombre de noyaux de ¹⁴C égal à 40 % du nombre initial. Expliquer la démarche retenue.

Partie 2 – Utilisation du glucose radioactif et compréhension du mode d’action de la cytochalasine B

Afin de comprendre le mode d’action de la cytochalasine B sur la Levure Saccharomyces cerevisiae, qui est un organisme unicellulaire, des molécules de glucose sont marquées au carbone 14 (document 4).

Document 3 – Observation de Saccharomyces cerevisiae et schéma d’interprétation de la membrane plasmique

La photographie de Saccharomyces cerevisiae ci-dessous présente les différentes structures qui la composent avec un schéma interprétatif d’une portion de la membrane plasmique.

Source : photographie modifiée d’après Frankl, Andri et al. “Electron microscopy for ultrastructural analysis and protein localization in Saccharomyces cerevisiae.” Microbial

Cell 2 (2015). Schéma d’après https://smart.servier.com/

Document 4 – Absorption du glucose marqué au carbone 14 par des cellules

Des cellules dont les membranes contiennent des transporteurs GLUT fonctionnels sont cultivées dans un milieu contenant du glucose marqué radioactivement au ¹⁴C. La quantité de glucose marqué au ¹⁴C absorbée par la cellule est ensuite déterminée. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Temps (minutes)	0	1	2	6	10
Quantité de glucose marqué au 14C absorbée par la cellule (en unités arbitraires)	0	1,8	2,2	2,5	2,7

Dans le cas d’une inactivation des transporteurs GLUT, l’absorption de glucose marqué au ¹⁴C est très fortement inhibée.

Des résultats similaires sont observés chez la Levure.

Source : d’après Lundgaard, I., Li, B., Xie, L. et al. Direct neuronal glucose uptake heralds activity-dependent increases in cerebral metabolism. Nat Commun 6, 6807 (2015).

4 – Montrer, à partir des documents 4 et 5, que la Levure est en interaction avec son milieu grâce à des structures spécifiques qui seront nommées.

On observe dans le document n° 4 une image d’une levure nommée Saccharomyces cerevisiae et un schéma de sa membrane. On voit la présence de plusieurs structures dans le cytoplasme comme le noyau ou la mitochondrie. On voit également une paroi avec la membrane qui est collée dessus. Dans le schéma, on observe la présence de protéines transmembranaires appelées GLUT qui sont des transporteurs de glucose : elles laissent passer le glucose du milieu extérieur dans le cytoplasme.

On peut donc en conclure que la levure est capable d’interagir avec son environnement en absorbant le glucose à travers les protéines spécifiques qui sont les GLUT.

Le document 5 permet de confirmer ce rôle des GLUT.

En effet, c’est un tableau illustrant l’absorption du glucose marqué avec le carbone 14 en présence ou en l’absence des GLUT. On voit dans ce tableau que l’absorption du glucose augmente au cours du temps en passant de 1.8 unités arbitraires à 1 minute à 2.7 au bout de 10 minutes en présence des GLUT fonctionnels. Or, on voit que cette absorption est fortement bloquée (inhibée) quand on inactive les GLUT.

Donc, cette expérience prouve que la levure interagit avec son milieu en absorbant le glucose de son milieu à travers les transporteurs qui sont les GLUT, comme on l’a montré dans le document précédent. (Si vous traitez les deux documents ensemble et que vous faites une déduction commune, ce sera accepté aussi)

Document 5 – Absorption par des cellules de glucose marqué au 14C, en présence de cytochalasine B

Des cellules sont cultivées dans un milieu en présence de glucose marqué au ¹⁴C et soit, en présence de cytochalasine B, soit en son absence. La quantité de glucose marqué au ¹⁴C absorbée, en un temps donné, par la cellule est déterminée. Les résultats sont présentés dans la figure ci-dessous. Des résultats similaires sont obtenus sur des Levures.

Source : d’après Lundgaard, I., Li, B., Xie, L. et al. Direct neuronal glucose uptake heralds activity-dependent increases in cerebral metabolism. Nat Commun 6, 6807 (2015).

5 – À partir des informations tirées du document 6 et des connaissances, indiquer les effets de la cytochalasine B sur les Levures et justifier son utilisation commerciale comme antifongique (substance permettant de tuer les Champignons).

On veut comprendre le rôle de la cytochalasine B.

Le document 6 est un histogramme illustrant la quantité de glucose absorbé en fonction de la présence ou non de la cytochalasine B.

On observe qu’en absence de la cytochalasine B une absorption de 1.2 unités arbitraires de glucose marqué au carbone 14 contre 0.2 d’absorption pour un milieu riche en cytochalasine B.

Or j’ai vu dans les documents précédents que les GLUT permettaient de laisser passer le glucose dans la cellule et qu’en présence de la cytochalasine B le passage du sucre était bloqué.

Je sais aussi, à partir de mes connaissances, que la membrane plasmique n’est pas une barrière étanche : certains échanges entre le cytoplasme et l’extérieur sont possibles.

De plus, je sais aussi qu’en présence de dioxygène (O₂), une partie du glucose produit est consommée par les mitochondries. Cela permet la fabrication d’ATP, source d’énergie pour l’ensemble des réactions cellulaires qui permettent d’assurer la survie et la croissance de l’individu. Ce processus est la respiration.

A partir de ces informations, je peux en conclure que la cytochalasine B permet de bloquer les transporteurs GLUT qui stoppent l’arrivée de glucose sans la cellule, ainsi la levure ne peut pas fabriquer de l’énergie et va mourir. On peut donc l’utiliser comme antifongique puisque les levures sont des champignons.