SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Centres étrangers - Juin 1999

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8


Corrigés

Partie 1 (8 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

L'idée d'évolution biologique implique l'existence de mécanismes introduisant, chez les êtres vivants, des innovations génétiques qui doivent être transmises de générations en générations.

Vous exposerez les principales modalités de modifications héréditaires du génome d'une espèce et vous indiquerez comment l'environnement peut intervenir pour conserver ou éliminer la diversité ainsi obtenue.


Avant de commencer
Les innovations génétiques proviennent des mutations et des duplications. Illustrer ces notions par des exemples précis. L'action de l'environnement peut être présentée à partir de l'étude d'un exemple classique comme celui de la drépanocytose.


Corrigé

Introduction

L'évolution des êtres vivants est liée à des modifications du patrimoine génétique des espèces qui se transmettent au cours des générations et peuvent conduire à la formation de nouvelles espèces. En effet, le génome peut subir des modifications conduisant à de nouveaux gènes. Nous en examinerons les modalités dans une première partie. En outre, certaines de ces innovations peuvent être éliminées ou conservées sous l'action de l'environnement comme nous le verrons dans une seconde partie.

1. Mécanismes de l'innovation génétique

Chaque espèce vivante, ensemble des organismes susceptibles de se reproduire entre eux et d'avoir des descendants interféconds, est caractérisée par son patrimoine génétique. Ce dernier est constitué par l'ensemble des gènes partagés par tous les individus appartenant à une espèce donnée. Ces gènes peuvent être modifiés à la suite de mutations.

Diversité des mutations

Chaque gène est constitué d'une séquence polynucléotidique déterminée. Bien que globalement très stable en raison de la fidélité des mécanismes de réplication, l'ADN est néanmoins susceptible de subir des modifications de séquence conduisant à de nouveau gènes. Ces modifications, statistiquement rares, sont des mutations. Affectant la séquence des nucléotides d'un gène, elles sont donc d'emblée héréditaires. Divers types de mutations ont été identifiées.

Lorsqu'un seul nucléotide est modifié, on parle de substitution. Il s'agit d'une mutation ponctuelle qui conduit à la formation d'un nouvel allèle du gène. Si la protéine codée par le nouvel allèle voit ses propriétés modifiées, la mutation peut produire des effets phénotypiques majeurs comme dans le cas de l'allèle S de l'hémoglobine humaine qui diffère de l'allèle A par le changement d'un seul nucléotide. Nous en verrons les conséquences dans la deuxième partie. Néanmoins, le plus souvent, une simple substitution reste sans effet phénotypique si elle ne produit pas de modification de structure et/ou de fonction dans la protéine codée par le nouveau gène.

Des modifications plus importantes résultent des délétions (disparition plus ou moins importante de nucléotides). Ainsi, la mucoviscidose, maladie génétique humaine est due à une importante délétion. Des insertions (ajout de nucléotides), notamment si elles aboutissent à un décalage du cadre de lecture, peuvent aussi conduire à des protéines non fonctionnelles. C'est notamment le cas de plusieurs formes de thalassémies humaines. D'autres formes de cette maladie sont dues à l'apparition d'un codon stop dans le gène de la ?-globine. Enfin, des séquences particulières peuvent être dupliquées et ajoutées au génome formant des répétitions plus ou moins importantes. Là encore certaines peuvent provoquer de graves maladies génétiques (chorée de Huntington, syndrome de l'X fragile).

L'innovation génétique peut aussi être liée à l'apparition de nouveaux gènes, sans modification des gènes existant.

Duplication génique

C'est parfois l'ensemble d'un gène qui est dupliqué et qui s'ajoute au génome. Ainsi, chez les Vertébrés, la famille des globines est constituée de plusieurs protéines différentes codées par des gènes différents qui se sont ajoutés au cours du temps à un gène de globine initial. Étant donné que le gène initial n'est pas modifié par la duplication, le nouveau gène peut évoluer indépendamment en accumulant des mutations. Il peut ainsi conduire à une nouvelle protéine sans que la fonction du gène initial soit altérée.

Aspects chromosomiques

Des modifications héréditaires peuvent affecter non seulement la séquence nucléotidique d'un seul gène mais aussi un chromosome entier. Ainsi, la perte ou le gain d'un chromosome peuvent se produire mais se traduisent le plus souvent par de graves affections. C'est le cas par exemple de la monosomie X (syndrome de Turner) ou de la trisomie 21 (syndrome de Down ou mongolisme). Il en est de même des translocations de segments chromosomiques hétérologues.

Les modifications héréditaires peuvent être encore plus importantes et toucher la totalité de l'équipement chromosomique. On connaît ainsi de nombreuses espèces végétales formées par polyploïdie, c'est à dire par multiplication du nombre de chromosomes.

Toutes ces modifications sont soumises au crible de l'environnement. Certaines seront éliminées, d'autres conservées. Quels en sont les mécanismes ?

2. Interactions avec l'environnement

Mutations favorables

Lorsqu'une mutation confère un avantage dans un environnement donné, elle se conserve aisément chez les descendants. C'est ainsi que la mutation carbonaria conférant à la Phalène du Bouleau une coloration noire s'est maintenue depuis son apparition dans les populations anglaises de ce papillon car elle permet l'homochromie sur les troncs noircis par les fumées industrielles. La sélection naturelle s'est exercée principalement sur les formes claires plus visibles des prédateurs.

La plupart des mutations sont cependant défavorables.

Mutations défavorables

Le fait qu'une mutation soit défavorable dans un environnement donné n'empêche pas nécessairement sa conservation au cours des générations. Même si certaines mutations sont létales (car elles ne permettent pas la survie de l'organisme dans son environnement, notamment lorsque la protéine qui en résulte a une importance stratégique), l'existence de chaque gène en double exemplaire chez les organismes diploïdes permet leur maintien dans une population si la protéine normale s'exprime. C'est le cas chez les hétérozygotes qui portent à la fois deux allèles différents d'un même gène. Nous étudierons l'exemple de la drépanocytose dont l'allèle S, bien que conduisant à une protéine déficiente malgré une simple substitution d'un nucléotide, se maintient dans diverses populations humaines. La présence d'hémoglobine S dans les globules rouges se traduit par des troubles circulatoires et respiratoires mortels chez les homozygotes S/S. Aussi, l'allèle responsable a quasiment disparu dans de nombreuses populations humaines. Toutefois, dans les populations des zones d'endémie du paludisme (et chez leurs descendants installés ailleurs), on constate que cet allèle est particulièrement fréquent. Ceci s'explique parce que la combinaison hétérozygote S/A offre une certaine résistance au parasite ce qui avantage les hétérozygotes par rapport aux homozygotes A/A qui sont décimés par le paludisme. Ainsi, l'existence du Plasmodium, parasite interne de l'homme, favorise le maintien dans la population d'un gène par ailleurs responsable d'une grave maladie. L'environnement peut donc intervenir en favorisant la conservation d'un allèle morbide.

Conclusion

Le génome des espèces vivantes se modifie sous l'action des diverses mutations. En outre, de nouveaux gènes peuvent apparaître par duplication et contribuer à la complexification du génome. Toutefois, les innovations génétiques sont passées au crible de la sélection naturelle, c'est à dire que leur conservation dépend en partie des capacités d'adaptation au milieu qu'elles confèrent à l'organisme. Si, le plus souvent, les mutations défavorables sont éliminées et les rares mutations favorables conservées, une mutation défavorable dans un environnement donné peut se révéler favorable dans un autre environnement. Comme le génome de la plupart des espèces eucaryotes est diploïde, ces mutations peuvent être conservées dans le patrimoine génétique en dépit de leur caractère défavorable. Ainsi, la diversité génétique se maintient à travers les générations.



Partie 2 (7 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

L'emploi de la pilule contraceptive normodosée (composée d'œstradiol et de progestérone de synthèse) se fonde sur les caractéristiques d'un système de régulation qui conduit, dans les conditions normales, à l'ovulation cyclique.

À partir de l'exploitation des documents 1 et 2 et en utilisant vos connaissances concernant les mécanismes de régulation de l'activité cyclique naturelle, vous expliquerez l'action contraceptive de ce type de pilule.

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Avant de commencer
Utiliser les documents pour étudier l'activité cyclique normale et l'effet de la pilule et vos connaissances pour expliquer la régulation physiologique cible et le mode d'action de la pilule.

Corrigé

Introduction

La connaissance des mécanismes de régulation de l'activité cyclique de l'appareil génital de la femme ont rendu possible la mise au point d'une pilule contraceptive dont la prise quotidienne empêche l'ovulation cyclique qui se produit tous les 28 jours en moyenne dans les conditions normales. Nous étudierons d'abord l'activité cyclique de l'ovaire à partir des documents fournis avant d'exposer le mécanisme de régulation de l'ovulation. Nous examinerons ensuite l'effet de la pilule à partir des documents puis exposerons son mode d'action.

Activité cyclique de l'ovaire

Le dosage des gonadostimulines hypophysaires LH et FSH (document 1) montre une variation cyclique de leur concentration. Au début du cycle (t0), on observe une augmentation de la concentration en FSH, puis un pic sécrétoire de FSH et de LH à j14 suivi d'une diminution progressive de la concentration. On sait que l'ovulation, émission d'un ovocyte par l'ovaire, se produit vers le quatorzième jour du cycle sous l'action du pic sécrétoire, notamment de LH. Une méthode empêchant l'apparition du pic de LH devrait donc empêcher l'ovulation et produire donc un cycle stérile.

Régulation du pic de LH

Le pic de LH est déclenché par un mécanisme de rétroaction exercé par les hormones sexuelles femelles, les œstrogènes, sur l'axe hypothalamo-hypophysaire. Au début du cycle, l'augmentation de FSH stimule la production d'œstrogènes par les follicules ovariens. La concentration atteinte freine l'activité de l'axe hypothalamo-hypophysaire et le niveau de LH qui en dépend (sécrétion de GnRH par les neurones hypothalamiques) reste faible. C'est une rétroaction négative. Vers le milieu du cycle, les œstrogènes vont au contraire exercer une rétroaction positive en raison de la forte concentration qu'ils atteignent alors et l'activité de l'axe hypothalamo-hypophysaire est considérablement stimulée. Il en résulte une rapide et intense sécrétion de FSH et de LH qui déclenche l'ovulation.

Contrôle du pic ovulatoire

Pour empêcher l'apparition du pic de LH, l'idée fut d'administrer un mélange d'hormones de synthèse quotidiennement par voie orale de façon à maintenir artificiellement la rétroaction négative par un niveau d'œstrogènes suffisant pour freiner l'axe hypothalamo-hypophysaire mais insuffisant pour déclencher une rétroaction positive. En outre, un arrêt mensuel de la prise pendant quelques jours devaient permettre de provoquer les règles.

Mode d'action de la pilule

Le document 2 montre que la pilule agit effectivement comme il était prévisible. À la suite de son administration pendant 3 semaines, on constate que les taux de FSH et de LH sont maintenus à un très bas niveau. De cette façon, il n'y a pas de pic ovulatoire de LH et, même en cas de rapport sexuel potentiellement fécond, en l'absence de gamète femelle il ne pourra y avoir fécondation.

Conclusion

L'effet contraceptif de la pilule normodosée s'exerce sur les mécanismes de régulation de l'activité cyclique de l'ovaire de telle manière que le cycle devient anovulatoire. Ainsi, la connaissance des mécanismes de régulation a permis la mise au point d'une pilule assurant la maîtrise de la fécondité féminine, un exemple des conséquences sociales importantes des connaissances contemporaines en biologie.


Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)

Sujet

Aspects du fonctionnement des centres nerveux

On cherche à comprendre le comportement coordonné des muscles fléchisseurs et extenseurs de la jambe lors d'un mouvement réflexe de la jambe par rapport à la cuisse, chez un Mammifère.

Utilisez les données anatomiques et physiologiques fournies pour montrer le rôle intégrateur joué par la moelle épinière dans cette activité musculaire coordonnée.

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Avant de commencer
Définir intégration et montrer la coordination exercée par la moelle avec le document 2 puis expliquer l'innervation réciproque et les mécanismes cellulaires à l'aide du document 3.


Corrigé

Introduction

Au cours d'un mouvement réflexe, comme par exemple l'extension de la jambe à la suite d'un choc sur le tendon rotulien, le mouvement de la jambe est rendu possible par deux phénomènes musculaires simultanés : la contraction du muscle extenseur et la mise au repos du muscle fléchisseur. C'est la moelle, épinière par les neurones qui la constituent, qui est responsable de cette coordination.

Document 1

Le document 1 présente une situation expérimentale dans laquelle l'arc réflexe muscles-moelle-muscles est isolé de l'encéphale. Dans ces conditions, la moelle reste le seul centre nerveux susceptible d'agir sur le quadriceps crural (extenseur) et sur les fléchisseurs (biceps crural et semi-tendineux).

Lorsque l'extenseur est étiré artificiellement de 4 mm en 0.5 seconde, on constate que l'intensité de la contraction augmente jusqu'à un maximum proche de 2 UA. Si l'étirement est maintenu, l'intensité de contraction diminue ensuite lentement. Ce résultat montre que l'activité du muscle est proportionnelle à l'étirement ce qui permet de maintenir dans les conditions physiologiques un état de tension constant, le tonus musculaire.

L'étirement du fléchisseur en S provoque une accélération du relâchement de l'extenseur. Or, le semi-tendineux est soumis au même type de contrôle que le quadriceps crural et son extension a provoqué en retour sa contraction. Ainsi, la contraction du fléchisseur a inhibé la contraction de l'extenseur qui s'est relâché davantage. L'étirement simultané des deux muscles fléchisseurs en B confirme cette action puisque le relâchement du quadriceps devient alors maximal. Ici encore, l'étirement des deux fléchisseurs a provoqué leur contraction. L'inhibition sur l'extenseur est alors maximale.

Le document 2 permet d'expliquer les mécanismes cellulaires du fonctionnement antagoniste des deux muscles.

Document 2

La stimulation des fibres issues de l'extenseur produit dans le motoneurone commandant ce muscle une dépolarisation de la membrane de quelques millivolts. En revanche, la stimulation des fibres issues du fléchisseur produit une hyperpolarisation égale en valeur absolue. Les fibres issues du muscle extenseur stimulent le motoneurone et leur activité, si elle est suffisante, provoque donc la contraction de l'extenseur. En revanche, l'activité des fibres issues du fléchisseur inhibent le motoneurone. Or ces fibres font synapse avec un interneurone dont l'axone fait synapse avec le motoneurone. C'est l'activité de cet interneurone qui inhibe le motoneurone.

Conclusion

Le motoneurone est contrôlé par deux types de signaux nerveux synaptiques. Des signaux excitateurs dus à l'activité des fibres provenant des récepteurs à l'étirement du muscle. Ces signaux le dépolarisent tandis que les signaux inhibiteurs hyperpolarisants sont délivrés par un interneurone dont l'activité dépend des fibres issues des récepteurs à l'étirement du muscle antagoniste. Le motoneurone médullaire intègre ces deux types de signaux ce qui permet de coordonner l'activité des muscles antagonistes lors du réflexe myotatique.



Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Aspects biochimiques du fonctionnement nerveux

Les molécules de la famille des benzodiazépines ont, entre autres effets, celui de provoquer la relaxation musculaire.

Exploiter les documents fournis pour proposer une explication du mode d'action de ces molécules.

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Avant de commencer
Étudier l'action sur les phénomènes ioniques au niveau cellulaire à partir du document 1 avant de détailler le mode d'action moléculaire du GABA sur les phénomènes ioniques avec les document 2a et 2b et l'action des benzodiazépines sur le GABA avec le document 3.

Corrigé

Introduction

Les benzodiazépines sont des substances myorelaxantes dont l’action sur les muscles s’exerce indirectement en interférant avec le fonctionnement de synapses entre des interneurones inhibiteurs et les motoneurones de la moelle épinière. Nous distinguerons successivement les effets électriques puis les effets ioniques qui en sont à l'origine.

Inhibition des motoneurones. Document 1.

Le montage du document 1 permet de constater que le GABA est un neurotransmetteur inhibiteur. En effet, administré au niveau d’une synapse entre un interneurone et un motoneurone médullaires, il provoque une hyperpolarisation d'environ 5 mV de ce dernier. Le GABA s’oppose donc à la mise en activité du motoneurone en augmentant sa polarisation membranaire qui s'éloigne du seuil d'excitabilité. Le même montage permet de constater qu'en présence d’une benzodiazépine, l’hyperpolarisation exercée par le GABA est encore plus forte : elle atteint - 10 mV. L’inhibition due au GABA est donc plus marquée lorsque des benzodiazépines sont administrées. Le motoneurone est donc freiné et le muscle correspondant se relâche. Administrées par voie générale, les benzodiazépines vont donc effectivement constituer des myorelaxants en accentuant l'effet du GABA.

Mode d'action du GABA au niveau ionique.

Document 2.a.

L’hyperpolarisation du motoneurone par le GABA doit être reliée à la structure du récepteur membranaire postsynaptique : celui-ci comporte un site de fixation pour le GABA et un canal Cl-. Étant donné que la fixation du GABA provoque l'ouverture du canal chlore, l’activation du récepteur produite par sa liaison avec le GABA provoque un flux entrant d’ions Cl-.

Document 2.b.

En effet, la concentration en ions chlorure dans le milieu extracellulaire est égale à 560 mmol/L alors que dans le neurone elle n'est que de 40 mmol/L. Aussi, l'ouverture du canal va se traduire par un afflux d'ions chlorure dans le milieu intracellulaire car un gradient de concentration produit un déplacement des ions du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré. Cet afflux enrichit le milieu intracellulaire en charges négatives ce qui accentue sa polarisation.

Action des benzodiazépines. Document 3

Le document 2a montre que le récepteur postsynaptique pour le GABA comporte également un site de fixation pour les benzodiazépines. Or, le document 3 montre que la fixation du GABA sur ses récepteurs postsynaptiques augmente en présence de benzodiazépines. On peut donc supposer qu’en présence de ces molécules, le flux entrant d’ions chlorures est plus important car le GABA se fixe plus efficacement sur les récepteurs conduisant ainsi à une hyperpolarisation plus marquée et donc à une inhibition plus forte du motoneurone.

Conclusion

Les documents suggèrent que les benzodiazépines exercent leur effet myorelaxant en agissant au niveau postsynaptique sur les motoneurones. Cette action serait indirecte en renforçant l'efficacité de la fixation du GABA sur son récepteur, donc l'afflux d'ions chlorure et l'hyperpolarisation des motoneurones. Puisque le canal chlore comporte à la fois les sites de fixation pour le GABA et pour les benzodiazépines, on en déduit qu'il doit exister une interaction entre les deux sites au sein de la molécule de récepteur.