Respiration, Milieu interne, Coordination et Technologie génique

Sprint pour attraper un bus et votre corps exécute une symphonie : les muscles brûlent du glucose plus vite, le cœur double son débit, la ventilation s'intensifie, la transpiration commence et les reins réajustent leur récupération d'eau — le tout sans aucune pensée consciente. Cette unité suit ce mécanisme : la respiration à l'échelle moléculaire, les muscles et le cœur à l'échelle tissulaire, les nerfs et hormones comme contrôleurs, et la technologie génétique comme fenêtre moderne sur ces processus.

WBI15 Respiration, Environnement Interne, Coordination et Technologie Génétique est la deuxième unité IA2 : 1 heure 45 minutes, 90 points. Elle évalue le Sujet 7 (Respiration, Muscles et Environnement Interne) et le Sujet 8 (Coordination, Réponse et Technologie Génétique), et une question de 20 points est basée sur un article scientifique prépublié — vous l'aurez étudié à l'avance.

La respiration libère l'énergie par étapes, chacune catalysée par une enzyme spécifique. Résumé de la respiration aérobie :

En conditions anaérobies, la chaîne s'arrête — le NAD réduit ne peut être recyclé — alors le pyruvate accepte son hydrogène et devient lactate dans les muscles. Après l'exercice, le lactate est transporté vers le foie et reconverti en glucose (nécessitant de l'oxygène : la dette d'oxygène).

Indice respiratoire : $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Glucide 1.0, protéine 0.9, lipidique ≈ 0.7 — l'RQ d'un organisme révèle ce qu'il consomme.

Exemple corrigé. Un respiromètre montre 60 cm³ de CO₂ produits et 60 cm³ de O₂ consommés dans le même intervalle : IR = 1.0 — glucide. Une graine germinant avec un IR 0.7 consomme ses réserves lipidiques.

Un tendon relie le muscle à l'os ; un ligament relie os à os à travers une articulation ; les muscles fonctionnent par paires antagonistes. Une fibre musculaire squelettique est une cellule fusionnée, multinucléée, remplie de myofibrilles d'actine et de myosine.

La contraction est le cycle du filament glissant : un potentiel d'action libère Ca²⁺ ; le calcium expose les sites de liaison de l'actine ; la tête de myosine activée (son ATP hydrolysé) s'attache, tire sur l'actine, puis se détache lorsque nouveau ATP se lie — milliers de têtes par seconde, chaque stroke couvrant quelques nanomètres.

Fibres à contraction rapide : épaisses, peu de mitochondries, rapides et puissantes, fatiguent vite (sprint). Fibres à contraction lente : nombreuses mitochondries, riche apport sanguin, myoglobine — endurance.

Le muscle cardiaque est myogénique : il bat sans entrée nerveuse. Le nœud sinusal fixe le rythme ; l'onde se propage sur les oreillettes vers le nœud auriculo-ventriculaire, puis le long des fibres de Purkinje vers les ventricules — les oreillettes se contractent d'abord, les ventricules une fraction de seconde plus tard.

Le centre de contrôle cardiovasculaire et le centre de ventilation dans la moelle allongée ajustent les deux systèmes selon la demande : les récepteurs chimiques détectent CO₂ et pH, les barorécepteurs la pression.

Vérification. Au repos : 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. Pendant l'exercice : 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — le tableau que les examens adorent. La ventilation augmente par paliers, lue sur les tracés du spiromètre (volume courant × fréquence respiratoire = débit ventilatoire).

L'homéostasie maintient l'environnement interne en équilibre dynamique — pas une immobilité, mais des variables oscillant dans de étroites limites. La rétroaction négative corrige les déviations dans n'importe quelle direction (le schéma du thermostat) ; la rétroaction positive les amplifie (une spirale, pas une boucle — comme lors d'un potentiel d'action ou d'une fièvre incontrôlée).

La thermorégulation passe par l'hypothalamus : perte de chaleur par vasodilatation et sueur ; conservation de la chaleur par vasoconstriction, frissons et piloception. L'adrénaline prépare la réponse combat-fuite — le rythme cardiaque, la glycémie et les voies aériennes répondent ensemble.

Le sang entre dans le glomérule du néphron sous haute pression — l'artériole afférente est plus large que l'efferente — et les petites molécules sont forcées à travers les podocytes et la membrane basale vers la capsule de Bowman (ultrafiltration : tout sauf les cellules et les grandes protéines). Le tubule contourné proximal réabsorbe tout glucose et acides aminés ainsi que la plupart des sels et de l'eau (transport actif puis osmose). La boucle de Henlé établit un gradient de potentiel hydrique vers la moelle rénale par multiplication en contre-courant. Le canal collecteur prend la décision finale : l'AHD de l'hypophyse insère des aquaporines pour réabsorber davantage d'eau — urine concentrée en cas de déshydratation, diluée sinon.

Les excès d'acides aminés subissent une désamination dans le foie ; l'ammoniac toxique devient de l'urée pour être excrété.

Vérification. AHD présent → parois du canal collecteur perméables → l'eau sort selon le gradient vers le sang médullaire → petit volume, urine concentrée. L'alcool supprime l'AHD — grand volume, urine diluée.

Un facteur de transcription se lie au promoteur d'un gène et active ou désactive sa transcription. Les hormones stéroïdiennes diffusent à travers la membrane et agissent elles-mêmes comme facteurs de transcription — un gène peut servir plusieurs tissus. L'épigénétique silencie les gènes sans modifier la séquence de bases : méthylation de l'ADN et modification des histones (acétylation) compactent l'ADN hors de portée de la machinerie de transcription. Les dysfonctionnements ont des conséquences : un gène suppresseur de tumeur méthylié ne peut plus contenir la division cellulaire ; des erreurs d'imprimentation expliquent le syndrome de Prader–Willi.

Le neurone au repos pompe Na⁺ hors et K⁺ dedans (la pompe sodium-potassium), maintenant un intérieur à environ −70 mV. Un stimulus dépassant le seuil (environ −55 mV) ouvre les canaux sodiques : un potentiel d'action tout-ou-rien grimpe à +30 mV, puis les canaux potassiques repolarisent ; la période réfractaire empêche la propagation inverse et fixe une fréquence maximale.

Chez les neurones myélinisés, l'impulsion saute de nœud en nœud (conduction saltatoire) — bien plus rapide. À la synapse, l'entrée de calcium déclenche la fusion des vésicules de neurotransmetteur avec la membrane présynaptique ; le transmetteur diffuse et se lie aux récepteurs postsynaptiques ; des enzymes nettoient ensuite la fente. Les médicaments agissent ici : les ISRS bloquent la recapture de la sérotonine, prolongeant le signal ; la lidocaïne bloque les canaux sodiques ; l'ecstasy (MDMA) inonde la fente de sérotonine avant de l'épuiser.

Le système nerveux se divise : SNC (cerveau, moelle épinière) et SNN — somatique (volontaire) et autonome (involontaire ; sympathique accélère, parasympathique apaise). Les récepteurs sont des transducteurs : bâtonnets (lumière faible, plusieurs par cellule bipolaire — sensibilité), cônes (couleur, un-à-un — acuité), plus thermorécepteurs, chémorécepteurs, barorécepteurs, nocicepteurs (douleur). L'arc réflexe spinal fait passer l'influx sensoriel → neurone relais → neurone moteur dans la matière grise de la moelle — rapide, involontaire, protecteur. L'habituation est une réponse décroissante face à un stimulus répété inoffensif.

Le phytochrome bascule entre Pr (absorbe rouge) et Pfr (absorbe lointain rouge) ; la prédominance du rouge solaire laisse Pfr dominant, contrôlant la germination et la floraison par la durée du jour. L'auxine allonge les cellules en acidifiant les parois ; les gibbérellines induisent des enzymes (amylase dans la couche d'aleurone) mobilisant l'amidon lors de la germination.

Repères et fonctions : hémisphères cérébraux (volontaire, pensée), cervellet (coordination, équilibre), hypothalamus et hypophyse en dessous (homéostasie, hormones), bulbe rachidien (cœur, respiration). L'IRM montre la structure ; l'IRMf montre l'activité via le flux sanguin oxygéné ; le scanner effectue des coupes structurales rapides ; la TEP visualise le métabolisme avec des traceurs radioactifs.

Chimie d'abord : la maladie de Parkinson est un déficit en dopamine — traitée par la L-Dopa, qui franchit la barrière hémato-encéphalique et est convertie en dopamine dans le cerveau. Un faible taux de sérotonine est lié à la dépression — cible des ISRS.

ADN recombinant : une enzyme de restriction coupe l'ADN à sa séquence de reconnaissance, laissant des extrémités cohésives ; le gène humain (fabriqué sans introns à partir d'ARNm) est inséré dans un plasmide avec une ligase d'ADN ; le plasmide transforme les bactéries hôtes ; les gènes marqueurs (résistance aux antibiotiques ou fluorescence) sélectionnent les cellules qui l'ont intégré. Mise à l'échelle dans un fermenteur et les bactéries sécrètent de l'insuline humaine — plus propre et plus sûre que l'extraction à partir de porcs. Les animaux transgéniques produisent des protéines humaines dans leur lait ; les risques et avantages des cultures génétiquement modifiées (résistance, rendements versus flux de gènes vers des parents sauvages) constituent l'évaluation standard.

Les puces à ADN identifient les gènes actifs : l'ARNm de l'échantillon s'hybride avec des sondes complémentaires sur la puce ; les points fluorescents marquent les gènes transcrits. La bioinformatique compare les séquences entre espèces et individus — la mesure actuelle de la parenté.

1. Nommez la étape de la respiration se déroulant dans la matrice mitochondriale ainsi qu'un de ses substrats.
2. Les muscles d'un coureur produisent du lactate. Expliquez pourquoi, et ce qui arrive au lactate ensuite.
3. Les têtes de myosine ne peuvent se détacher sans ATP. Expliquez ce que cela implique pour les muscles après la mort.
4. Calculez le débit cardiaque pour un volume d'éjection de 85 cm³ et une fréquence cardiaque de 140 min⁻¹.
5. Expliquez pourquoi l'artériole afférente est plus large que l'artériole efférente.
6. Énoncez deux différences entre la rétroaction négative et positive, avec un exemple pour chacune.
7. Pourquoi la myélinisation augmente-t-elle la vitesse de conduction ?
8. Le seuil d'un axone est de −55 mV. Un stimulus l'élève à −60 mV. Que se passe-t-il et pourquoi ?
9. La lumière rouge convertit la phytochrome en quelle forme ?
10. Expliquez pourquoi on administre de la L-Dopa plutôt que de la dopamine elle-même.
11. Une spot de puce à ADN fluoresce intensément. Que cela indique-t-il ?
12. Pourquoi le gène de l'insuline humaine doit-il être synthétisé à partir d'ARNm plutôt qu'à partir d'ADN génomique lors de son insertion dans des bactéries ?

Réponses : 1 la liaison (ou cycle de Krebs) — substrat pyruvate (ou acétyl) ; 2 manque d'oxygène, le NAD réduit est recyclé en réduisant le pyruvate en lactate ; ensuite le lactate va au foie et est reconverti en glucose, utilisant de l'oxygène ; 3 sans ATP, la myosine reste liée à l'actine — raideur cadavérique ; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$ ; 5 la différence de pression entraîne l'ultrafiltration du plasma dans la capsule de Bowman ; 6 la négative ramène une variable vers sa valeur consigne (thermorégulation) ; la positive l'éloigne davantage (fièvre montante) ; 7 l'influx saute entre les nœuds de Ranvier au lieu de dépolariser toute la membrane — moins d'étapes mais plus amples ; 8 rien — le seuil n'est pas atteint, donc aucun potentiel d'action (tout-ou-rien) ; 9 Pfr ; 10 la dopamine ne peut franchir la barrière hémato-encéphalique mais la L-Dopa le peut, et est convertie en dopamine à l'intérieur du cerveau ; 11 ce gène était activement transcrit — son ARNm était présent et s'y était hybridé ; 12 les bactéries ne peuvent pas épicer les introns, donc le gène doit provenir d'un ARNm mature déjà dépourvu d'introns.