mercredi 2 avril 2014

La vision, de la lumière au message nerveux (1ère S)

Nous allons commencer par l'étude de l'anatomie de l'œil. La dissection de l'œil de bœuf permet de découvrir facilement l'anatomie.

On fait une incision parallèle à la zone de vision de l'œil.


L'ouverture de l'œil permet de mettre en évidence la rétine, qui a un aspect irisé et l'humeur vitrée.

La structure de l'œil est résumée sur le schéma suivant :

Le cristallin est une lentille constituée de cellules vivantes qui se renouvellent au cours du temps.

Il permet à l'œil d'accommoder, c'est à dire de voir tout le temps net, en modifiant sa courbure.

Les cellules du cristallin sont disposées en lames de parquet. Leur structure particulière permet de donner une grande transparence au cristallin.

Cependant des phénomènes de vieillissement peuvent atteindre le cristallin. Avec l'âge, il devient moins élastiques, entraînant une presbytie qui se corrige par le port de lunettes.

Un autre problème est la cataracte, qui est une opacification du cristallin. Dans ce cas, il faut envisager une opération.

La rétine est constituée de couches de cellules nerveuses ou neurones. La couche la plus profonde est celle des photorécepteurs  qui captent la lumière arrivant à l'œil à travers les différentes couches transparentes.

Interprétation de la structure de la rétine

Les cellules photoréceptrices au niveau de la rétine sont de deux types :
— les cônes (en rouge sur la photo suivante)
— les bâtonnets (en orange sur la photo suivante)

Les cônes interviennent dans la vision des couleurs lorsque l'intensité lumineuse est forte (vision diurne), alors que les bâtonnets interviennent dans le cas d'une faible luminosité (vision crépusculaire et nocturne), la vision des couleurs étant très faible.

L
La répartition des cônes et des bâtonnets est très particulière sur la rétine. C'est au niveau de la fovéa (axe de l'œil) que le nombre de cônes est maximal alors que le nombre de bâtonnets est très faible. Ceux sont plus nombreux autour de la fovéa. Le point aveugle, dépourvu de cellules photosensibles, correspond à l'arrivée du nerf optique sur la rétine.

Les couleurs sont perçus grâce à la présence de pigments appelés opsines. Il existe une opsine sensible au bleu, une sensible au rouge et une sensible au vert. Leur structure chimique est très proche.

Les opsines sont des protéines. Compte-tenu de leur ressemblance, on peut comparer la séquence des acides aminés de ces protéines :

Lorsque des protéines sont très proches, elles constituent une famille multigénique. Comme une protéine est codée par un gène, on considère que les gènes codant pour des protéines d'une famille multigénique dérivent d'un gène ancestral qui a subit diverses modifications.
On peut ainsi étudier les opsines présentes chez le Primates, groupe de Mammifères dont fait partie l'homme.

On constate que les gènes de l'opsine L (rouge) et M (verte) sont toujours portés par le chromosome X, alors que le gène de l'opsine S (bleu) est porté par le chromosome 7. On estime qu'il existe trois modes d'apparition de nouveaux gènes à partir d'un gène ancestral :
— la mutation
— la duplication (le gène se mutiplie par deux)
— la transposition (le locus portant le nouveau gène se déplace dans une nouvelle zone ou sur un nouveau chromosome).
On peut ainsi construire le schéma d'apparition des gènes L et M chez les Primates de l'ancien monde:

On peut aussi comparer deux à deux, la séquence des acides aminés des différentes opsines des espèces de Primates. On construit ainsi une matrice des différences :

On considère que plus le nombre de différences est élevé et plus les deux animaux sont éloignés d'un point de vue phylogénétique (plus leur ancêtre commun est éloigné dans le temps). Par exemple, le Bonobo et l'homme (0 différence) ont un ancêtre commun plus récent que le Saimiri et l'homme (28 différences).
On peut ainsi construire un arbre phylogénétique fondé sur les opsines :

Rôle des aires cérébrales dans la vision
Le cerveau est classiquement découpé en plusieurs lobes correspondant à leur position anatomique.

Les nerfs optiques passent à la base du cerveau en se croisant au niveau du chiasma optique.

Le champs visuel des deux yeux se recoupe ce qui permet une vision stéréoscopique de l'environnement.

Un certain nombre d'expérience effectuées sur des animaux a permis de mettre en évidence une répartition particulière des fibres nerveuses dans les nerfs optiques :

On constate qu'une partie des fibres du nerf optique droit, par exemple, passe du côté gauche au niveau du chiasma alors que l'autre partie reste du côté droit. C'est ce qui explique les phénomènes de cécité partielle.
Le cerveau est divisée en aires motrices et sensitives. L'aire visuelle se situe au niveau occipital. Elle est elle même subdivisé en zones qui correspondent à des sensibilités variées.

L'interprétation d'une image captée par l'œil se fait donc au niveau de l'aire visuelle. Cette interprétation est parfois difficile. C'est le cas d'image qui constituent de véritables paradoxes visuels :

Substances toxiques et perturbation de la vision
L'ergot de seigle est un champignon parasite des épis de seigle.

Ce champignon contient une substance hallucinogène puissante qui s'appelle l'acide lysergique. La consommation de pain ergoté entrainait l'apparition de convulsions, de douleurs et d'hallucinations. Fréquent au Moyen-Age, l'ergotisme est appelé Mal des ardents ou Feu de St-Antoine en référence aux visions du saint tenté par le démon.
Un certain nombre de tableaux exécutés à cette période témoigne de ces visions, notamment les œuvres de Jérôme Bosch (1450-1516).

Jérôme Bosch, Tentation de St-Antoine (1506)

A la fin des années 30, Albert Hofmann (1906-2008) tire une substance puissamment hallucinogène de l'acide lysergique, le LSD (acide lysergique diéthylamide). Il l'a teste en 1943. A partir des années 60, un certain nombre d'artiste travaille sous acide. C'est l'art psychédelique.

Molécule de LSD

 Un pochette de disque psychédélique

Portrait psychédelique d'Albert Hofmann

D'autres substances tirées des champignons sont des hallucinogènes puissants comme la psilocine ou la psilocybine du Psylocibe mexicana.

L'action de ces substances se situe au niveau des synapses qui constituent la jonction entre deux cellules nerveuses. Le passage de l'information se fait grâce à des substances appelées neurotransmetteurs ou neuromédiateurs.

Si on compare la sérotonine (un neuromédiateur) et la psilocine (hallucinogène), on constate que les deux molécules sont proches. L'hallucinogène peut donc se fixer sur le récepteur spécifique à sérotonine et entraîner une suractivation de certaines zones du cerveau.

On obtient un résultat semblable avec l'utilisation d'ecstasy, drogue qui n'est plus tiré d'une plante mais qui est un cocktails d'excitants, les amphétamines.

L'utilisation régulière de ces produits entraîne des lésions irréversibles des neurones du cerveau.

La plasticité cérébrale
On appelle plasticité cérébrale, le fait, pour le cerveau, de pouvoir modifier, complexifier son fonctionnement en fonction des circonstances externes. Les apprentissages correspondent à des complexifications des relations inter-neuronales.

Des expériences ont été menées chez des chats adultes et chez des chatons. On suture les paupières d'un animal à différents âges.

On constate que la privation d'un œil chez un chaton et chez un adulte ne provoque pas la même conséquence. Chez le chaton, l'ensemble des neurones qui se développent correspondent à l'œil ouvert, ce qui n'est pas le cas chez l'adulte dont la paupière a été suturée. Au cours du développement, la plasticité du cerveau est maximale et diminue au cours du temps.
Cependant, même chez un adulte, il existe une certaine plasticité du cerveau. On peut le constater dans le cas où un individu est frappé de cécité et développe ses autres sens pour compenser l'absence de vue.

On peut constater que même sur un sujet voyant, artificiellement privé de vue, très rapidement la plasticité cérébrale joue, puisque la lecture du braille entraîne une stimulation de l'aire visuelle primaire alors qie le sujet ne voit rien.
L'apprentissage modifie durablement les zones du cerveau stimulées par une activité donnée. C'est le cas de l'expérience ci-dessous, faites sur des sujets qui ont appris à jongler et dont on enregistre les mouvements oculaires.






dimanche 30 mars 2014

La catalyse enzymatique (Spé)

Les enzymes sont des acteurs fondamentaux du métabolisme. Nous allons principalement travailler sur une enzyme appelée amylase salivaire qui intervient dans la digestion de certains glucides.


Mise en évidence de l'action de l'amylase
La mise en évidence de l'activité de l'amylase se fait facilement. On prépare deux tubes. Un contient de l'empois d'amidon + un peu de salive alors que dans l'autre, la salive est remplacée par de l'eau déminéralisée (c'est le témoin). On met les deux tubes au bain-marie à 37 °C.
Au début de l'expérience, on fait un test à la liqueur de Fehling à partir des deux tubes. Il est négatif dans les deux cas, ce qui signifie qu'il y a absence de glucide réducteur.
Toutes les deux minutes, on prélève un peu de mélange dans les deux tubes et on teste au lugol (eau iodée).
On obtient les résultats suivants :

Tube témoin

Tube avec salive

On constate que le test au lugol devient négatif dans le tube avec salive. On vérifie la présence de sucre réducteur dans ce tube avec la liqueur de Fehling.
L'amylase a donc permis l'hydrolyse de l'amidon jusqu'au stade maltose. On peut constater que les stades intermédiaires donnent des colorations variées allant du violet ou rougeâtre.Ces colorations sont caractéristiques des dextrines, substances de même formule chimique globale que l'amidon mais constituées de moins de molécules de glucose.
On peut résumer la réaction chimique de la manière suivante :



Une enzyme est donc un catalyseur biologique qui a une action très rapide.

Mise en évidence de la spécificité de substrat
On appelle substrat, la molécule sur laquelle agit l'enzyme et produit, les molécules fabriquées par l'action de cette enzyme. Les enzymes possèdent certaines caractéristiques que nous allons mettre en évidence.
On fait l'expérience suivante :

On constate que la pepsine peut agir sur une protéine comme l'albumine mais pas sur l'amidon, alors que l'amylase agit sur l'amidon mais pas sur la protéine. Chque enzyme ne peut agir que sur un substrat déterminer. C'est la spécificité de substrat.

Spécificité d'action

Plusieurs enzymes différentes peuvent agir sur le même substrat en donnant des produits différents. C'est la spécificité d'action.

Effets des paramètres de l'environnement sur l'activité enzymatique

On prépare 4 tubes contenant de l'empois d'amidon.
Tube 1 : + eau distillée à 37 °C
Tube 2 : +  salive à 37 °C
Tube 3 : +  salive à 0 °C
Tube 4 : + salive à 100 °C
On teste à l'eau iodée.
On obtient les résultats suivants :

L'activité enzymatique est donc inexistante à 0 et à 100 °C. 
On remet les tubes 3 et 4 à 37 °C et on teste de nouveau à l'eau iodée. On constate que le test à l'eau iodée donne une coloration jaune dans le tube 3 et une coloration bleue dans le tube 4.
Dans le tube 3, l'enzyme s'est remise à fonctionner : elle était inhibée par la chaleur.
Dans le tube 4, l'enzyme n'est plus fonctionnelle. La chaleur à modifié la structure spatiale de la protéine. Elle est dénaturée.
On peut représenter l'activité enzymatique sur la courbe suivante :
La majorité des êtres vivants fonctionnent dans un environnement où les enzymes ont cet optimum d'activité. Cependant, certaines bactéries vivant dans les sources d'eau chaude, doivent posséder des enzymes adaptées. Leur optimum d'activité se situe donc à une température supérieure :

Si on teste l'activité de l'amylase salivaire dans un milieu acide ou un milieu basique, on constate que l'enzyme ne fonctionne plus. Chaque enzyme a un pH optimal d'activité.


Représentation de la catalyse enzymatique

La catalyse enzymatique est représentée classiquement par le schéma suivant :

Les enzymes sont des éléments fondamentaux de l'activité biologiques. En effet, toute réaction biologique est obligatoirement catalysée par une enzyme. La majorité des enzymes ont un nom construit sur le substrat qu'elle transforme en ajoutant le suffixe ase (sauf exception). Par exemple :
— hydrolyse des protéines : hydrolases
— intégration d'un CO2 (groupement carboxyle) : carboxylase
— élimination d'un groupement phosphate : déphosphorylation
Le schéma suivant représente l'hydrolyse du saccharose (sucrose en anglais) catalysée par une saccharase (sucrase en anglais).

Introduction à l'étude de la vitesse de catalyse enzymatique

On peut constater que la vitesse initiale de la réaction varie en fonction de la concentration initiale en enzyme.
Au bout d'un certain temps, la vitesse de catalyse atteint un plateau. Toutes les molécules d'enzyme ont fixé une molécule de substrat. On parle de plateau de saturation.

Site actif d'une enzyme

Toute l'enzyme ne permet pas de catalyser la réaction. La catalyse a lieu au niveau d'un site particulier appelé site actif de l'enzyme.

En réalité le site actif est constitué de deux sites : le site de reconnaissance du substrat et le site catalytique où se passe réellement la modification du substrat.

Les enzymes sont des protéines. Comme toute protéine, elles sont codées par des gènes qui peuvent subir du mutation. Dans le cas d'une enzyme, si la mutation touche des acides aminés qui interviennent dans le site actif, l'activité enzymatique sera touchée. En revanche, si les mutations ne touchent que des acides aminés qui n'ont pas de rôle dans la catalyse, l'activité enzymatique sera peu modifiée.