Chapitre 3. Le climat du futur (Terminale, enseignement scientifique)

Devant les problèmes liés au réchauffement  climatique, il a été nécessaire de construire des scénarios des climats futurs. C'est le rôle de la modélisation qui est une mise en équation des facteurs climatiques par des méthodes de numérisation.

Lorsque le modèle est élaboré, on le confronte d'abord à la situation actuelle réelles ou aux situations passées grâce aux résultats satellitaires et aux données paléoclimatiques. S'il fonctionne correctement, on peut alors le faire tourner.

Les modèles sont nombreux, mais il donne tous des résultats, certes variables, mais convergents.

Les causes du réchauffement

L'augmentation de température est due à l'activité humaine depuis le début de l'ère industrielle. Le CO2 est libéré par la déforestation, l'utilisation des combustibles fossiles et la fabrication des ciments et bétons. Le CH4 est libéré par les activités agricoles et les fuites naturelles.

Origines de rejets de CO2

 

Les prévisions du réchauffement

— augmentation de la température de 1,5 à 5° d'ici 2100

— élévation du niveau des océans de 1 mètre d'ici 2100

— modification du régime des pluies et des évènements extrêmes (orages, tempêtes, sécheresses)

— acidification des océans

— impact majeur sur les écosystème des continents et des océans.

Un exemple : la destruction des barrières coralliennes par acidification

Les coraux sont des animaux qui vivent fixés dans un tube calcaire, en général dans les eux chaudes très proches de la surface. Ils forment des véritables murailles. La Grande Barrière d'Australie mesure 10 000 kilomètres. Les coraux vivent en symbiose avec une algue appelée zooxanthelle qui déteste les variations de pH. Une très légère baisse de celui-ci, entraine la mort des zooxanthelles et donc du corail qui blanchit.

Les récifs sont les véritables nurseries des océans. De nombreux poissons y pondent et les alevins peuvent se développer à l'abri des grands prédateurs. lorsque les coraux sont morts, ce rôle n'existe plus et l'ensemble des populations de poissons, déjà malmenées par la sur-pêche, ne peuvent plus se reproduire sereinement. Ce phénomène a donc un impact majeur sur la srvie des écosystème marin.

Un récif corallien en bon état

 

Un récif corallien après blanchiment

Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques (1ère Spé SVT)

Une enzyme est un catalyseur biologique. Il s'agit d'une protéine qui accélère une réaction chimique sans qu'il intervienne dans la réaction.

L'action de l'amylase sur l'amidon

La réaction dont nous allons partir pour l'étude des enzymes est celle de la digestion de l'amidon qui fait intervenir une enzyme appelée amylase présente chez de nombreux animaux. Pour des raisons sanitaires liées au COVID-19, l'amylase salivaire est remplacée par le maxilase.

L'amidon est un glucide, polymère de plusieurs centaines de molécules de glucose. C'est la principale substance de réserve des plantes qu'on trouve dans les pommes de terre, les bananes ou le riz. 

L'amidon est mis en évidence par une réaction à froid avec l'eau iodée. On obtient une coloration bleue noire.

 

Le glucose ou le maltose sont mis en évidence par une réaction à chaud à la liqueur de Fehling. On obtient un précipité rouge. Les glucides positifs à la liqueur de Fehling sont dits "sucres réducteurs".

En revanche, le saccharose ou l'amidon ne sont pas positifs à la liqueur de Fehling. Il sont dits "sucre non réducteur".

 

Etude de la digestion de l'amidon en présence d'amylase (de maxilase)

 

Les résultats obtenus. Seul, le tube 2 contenait l'enzyme

 

On constate que la réaction à l'eau iodée devient négative, ce qui signifié que l'amidon a été digéré. La réaction à la liqueur de Fehling sur ce qui reste dans le tube 2 donne un résultat positif. L'amidon a donc été remplacé par un sucre réducteur. Les tubes témoins, testés à la liqueur de Fehling, restent négatifs.

Schéma résumant l'action de l'amylase sur la molécule d'amidon

 

En enzymologie la molécule sur laquelle agit une enzyme est appelée substrat. La ou les molécules obtenues après la réaction portent le nom de produits.

Notion de spécificité

Les enzymes sont des biocatalyseurs spécifiques. Il existe une spécificité d'action et une spécificité de substrat. Une molécule comme le glucose-6-phosphate (glucose-6P) peut être utilisée à plusieurs fins par l'organisme. Chaque type d'utilisation à partir de la même molécule nécessite une enzyme particulière. On parle de spécificité d'action.

 

Spécificité de substrat

 

Conclusion : l'amylase est active sur l'amidon et inactive sur une protéine comme l'ovalbumine. La pepsine, qui ne fonctionne qu'à pH acide, agit sur l'hydrolyse de l'ovalbumine et pas sur celle de l'amidon. La pepsine est spécifique des protéines et l'amylase, de l'amidon.

Le complexe enzyme-substrat

Une enzyme est une protéine, en général globulaire. Elle possède un site particulier, dit site actif, où se fixe le substrat et où il est modifié. Pour que la molécule de substrat se fixe sur le site actif, il faut que la forme du substrat corresponde à la forme du site actif. Ce je de clé et de serrure, à l'origine de la spécificité de substrat, permet la formation du complexe enzyme-substrat.

Le complexe enzyme-substrat de la catalase avec H2O2 (peroxyde d'hydrogène ou eau oxygénée)

 

Le complexe enzyme-substrat dans le site actif d'une amylase

 

Le cycle d'action d'une enzyme (ici la saccharase)

 

Cinétique enzymatique

La cinétique enzymatique est extrêmement compliqué. Nous allons donc simplement voir quelques éléments simples se rattachant à ce problème.

Utilisation du logiciel lactase

 

En utilisant les différentes possibilités du logiciel on peut constater que :

— la vitesse d'activité enzymatique dépend de la concentration en substrat et en enzyme

— à basse température, l'enzyme est inhibée (elle ne fonctionne pas) mais retrouve une activité à 37 °C. A très haute température, l'enzyme est dénaturée car la structure de la protéine qui la constitue est modifiée par la chaleur

En général, on estime que la vitesse de la réaction (quantité de substrat modifié par unité de temps ou de produits fabriqués par unité de temps) doit être mesurée au tout début de la réaction. On parle de vitesse initiale. On peut constater sur les courbes suivantes que la vitesse initiale varie en fonction de la concentration en substrat. Cette vitesse se meure en utilisant la tangente à la courbe à t = 0.

L'expression du patrimoine génétique (1ère spé SVT)

Pendant très longtemps, on a considéré que les protéines jouaient un rôle dans l'hérédité. Même si aujourd'hui, on sait que ce n'est pas vrai, nous allons voir qu'il y a une relation étroite entre ADN et protéine.

Qu'est-ce qu'une protéine ?

Une protéine est une macromolécule (grosse molécule) constituée d'une chaîne parfois très longue de molécules plus petites appelées acides aminés (ou amino-acides). Une protéine courte porte le nom de peptide et plus longue de polypeptide.

Il existe 20 acides aminés naturels qui ne se différencient que par un radical (R) qui est un groupement chimique particulier. Outre ce radical, chaque acide aminé possède un groupement amine (NH2) et un groupement carboxyle (COOH) qui lui donne son caractère acide.

Formule générale d'un acide aminé

 

Liste des acides aminés et nomenclature française et anglo-saxonne

 

Quelques acides aminés et leurs radicaux variables 

 

Deux acides aminés se lient par une liaison peptidique qui élimine une molécule d'eau

Schéma d'une liaison peptidique 

Protéines et ADN

L'ADN et les protéines sont toutes les deux des molécules séquencées, c'est à dire que l'organisation des différents composants (nucléotides ou acides aminés) n'est pas le fruit du hasard. On dit qu'il y a colinéarité. 

Colinéarité d'une portion de gène codant pour la ß-globine et de la molécule de ß-globine

 

De nombreuses expériences entre les années 1950 et 1960 démontrèrent qu'il existait une relation étroite entre un gène et une protéine. Cependant une question se posait : les protéines sont élaborées à partir des acides aminés dans le cytoplasme alors que l'ADN reste dans le noyau. Il fallut donc imaginer l'existence d'un intermédiaire entre l'ADN nucléaire et les protéines cytoplasmiques.

Coloration du noyau d'une cellule d'épiderme d'oignon au vert de méthyle, colorant spécifique de l'ADN

En 1951, le biologiste belge Jean Brachet avait mis en évidence par autoradiographie (utilisation de précurseurs radioactifs), l'existence d'une molécule transitoire appelée ARN (acide ribonucléique) qui était élaborée dans le noyau mais avait la capacité de se répandre dans le cytoplasme. Cette molécule était donc le candidat idéal pouvant assurer la relation gène-protéine.

L'expérience de Brachet

 

Ce sont trois français, Jacques Monod, François Jacob et André Lwoff qui postulèrent puis démontrèrent l'existence de la molécule d'ARN messager (ARNm), assurant la liaison entre l'ADN et le lieu de synthèse des protéines dans le cytoplasme. Ce lieu de synthèse sont les ribosomes, petits organites situés dans le reticulum endoplasmique.

Schéma de l'action de l'ARNm

  

Les différences principales entre ARNm et ADN

— l'ADN a une durée de vie très longue (plusieurs dizaines d'années) alors que l'ARNm a une durée de vie courte (quelques minutes).

— l'ADN reste dans les chromosomes à l'intérieur du noyau alors que l'ARNm est synthétisé dans le noyau mais peut aller dans le cytoplasme.

— la molécule d'ADN est bicaténaire (2 chaînes) alors que la molécule d'ARNm est monocaténaire (1 chaîne)

— la molécule d'ADN est beaucoup plus longue que la molécule d'ARNm.

— dans l'ADN, le sucre est un désoxyribose alors que dans l'ARNm, le sucre est un ribose.

— dans la molécule d'ARNm, l'uracile (U) remplace la thymine (T).

Comparaison entre une molécule d'ADN et une molécule d'ARNm

 

La transcription de l'ADN en ARNm

On appelle transcription, l'étape de la biosynthèse des protéines qui permet l'élaboration de la molécule d'ARNm à partir de la molécule d'ADN. Un seul des deux brins de la molécule d'ADN est utile à cette transcription. Il est appelé "brin transcrit". L'autre brin dit "non transcrit" est utile, cependant, à la réplication de l'ADN. La transcription est catalysée par une enzyme appelée ARN-polymérase.

Schéma du mécanisme de transcription

  

L'élaboration de la protéine à partir des acides aminés ou traduction

Entre 1961 et 1963, de nombreuses expériences ont permis d'élucider le mécanisme qui permettait à la cellule de traduire l'information transportée par l'ARNm en fabrication d'une protéine à partir des acides aminés préexistants. 

On appelle donc traduction, la seconde étape de la biosynthèse des protéines. Afin de coder la mise en place de 20 acides aminés différents, il faut un message de l'ARNm qui donne 20 informations différentes. Or l'ARNm n'est constitué que de 4 informations différentes, les nucléotides. La solution ne peut venir que d'un code contenant 3 nucléotides sur les 4. Dans ce cas, il y a 64 combinaisons possibles (4 x 4 x 4). Chacun des triplets de l'ARNm (et seulement de l'ARNm, pas de l'ADN) est appelé un codon. A partir de ces 64 codons, on obtient un tableau de correspondance appelé code génétique.

Le code génétique

  

Caractéristiques du code génétique

— le code génétique est universel. Il est le même pour une bactérie, un crocodile, un platane ou un ministre. Cette constatation conforte l'idée que tous les êtres vivants ont une origine unique.

— plusieurs codons codent pour la mise en place du même acide aminé. Le code est donc imprécis. On dit qu'il est dégénéré ou redondant (il dit plusieurs fois la même chose).

— trois codons, dit "codons stop" ne codent pas pour la mise en place d'un acide aminé mais pour indiquer la fin de la traduction.

— le début de la traduction est donnée par le codon AUG dit "codon d'initiation" qui code pour la méthionine. Cela signifie que tout protéine complète commence part une méthionine.

Le mécanisme de la traduction

L'accrochage des différents acides aminés les uns aux autres par liaisons peptidiques se fait au niveau des ribosomes dans le cytoplasme. L'ordre d'accrochage est donné par l'ARNm. Les ribosomes se déplacent le long des molécules d'ARNm.

La première étape est l'initiation qui se manifeste par la mise en place du premier acide aminé qui est toujours la méthionine (codon AUG). Puis les autres acides aminés se lient les uns aux autres en fonction du code donné par l'ARNm. Cette étape, appelée élongation, se fait pas déplacement du ribosome le long de l'ARNm. La troisième étape ou terminaison a lieu lorsqu'un codon STOP apparait sur l'ARNm.

Les trois étapes de la traduction

 

Quelques exercices sur la biosynthèse des protéines

 

Etude d'une maladie génétique, le Xeroderma pigmentosum

 

ADN codant et non-codant

Au début des années 1980, des scientifiques remarquent que l'ARNm est beaucoup plus court que le brin transcrit d'ADN.

Electronographie d'un brin d'ADN et d'un brin d'ARNm

 

Très rapidement, on constate que la majorité de l'ADN ne code pas pour des protéines. S'il est appelé parfois "junk DNA", on préfère le terme d'ADN non-codant car il n'est pas inutile puisqu'il contient des séquences régulatrices. L'ADN non-codant représente environ 95 % d'une molécule d'ADN.

Parmi cet ADN non-codant, une partie se situe dans les gènes. Un gène est constitué d'exons (ADN codant) et d'introns (ADN non-codant). On dit que le gène est morcelé.

La transcription s'effectue donc ainsi : dans un premier temps, l'ARN est fabriqué à partir du brin d'ADN transcrit complet (zones codantes et non-codantes). On obtient un pré-ARNm. Dans un second temps, il y a maturation du pré-ARNm par excision. Les parties non-codantes du pré-ARNm sont éliminées (dont les introns) et ne sont conservées que les parties codantes. On parle d'épissage.

Mise en évidence de l'épissage avec Anagène en ligne

 

Schéma du mécanisme d'épissage

L'épissage alternatif  

Selon des estimations, le nombre de gènes présents dans le génome humain est de l'ordre de 22 000. On estime que ces gènes fabtiquent entre 100 000 et 1 000 000 de formes protéiques différentes. L'idée qu'un gène fabrique une protéine est donc fausse. Un gène fabrique plusieurs protéines différentes grâce au mécanisme d'épissage alternatif dont le séquençage du génome humain a démontré qu'il était un phénomène très important contrairement aux idées anciennes.

Mise en évidence de l'épissage alternatif sur le  gène de l'hormone de croissance avec Anagène en ligne

 

Schéma de l'épissage alternatif

 

Schéma bilan de la biosynthèse des protéines