Programme STL : première et terminale : texte intégral

Biochimie-biologie

Préambule

L’enseignement de spécialité de biochimie-biologie s’inscrit dans la continuité des enseignements scientifiques du collège et de la seconde. Il fait donc appel à des notions déjà abordées, en particulier lors des enseignements de SVT. Il vise à développer des compétences scientifiques et technologiques, et l’acquisition de concepts essentiels pour asseoir les bases scientifiques en biochimie et en biologie.

À la croisée de ces deux disciplines, cet enseignement apporte une dimension non seulement moléculaire mais également intégrée à la compréhension des phénomènes physiologiques. Il est assuré par des professeurs ayant des connaissances et compétences solides de biochimie pour conforter les fondamentaux moléculaires du vivant, forger une représentation tridimensionnelle des macromolécules du vivant et une vision dynamique des processus moléculaires au sein de la cellule.

Cette culture est essentielle, d’une part, pour assurer la réussite des élèves qui suivent l’enseignement de spécialité de biotechnologies en classe de première et, d’autre part, pour tous les élèves qui poursuivront leurs études dans les domaines de la biologie ou des biotechnologies. En effet, centrés sur la biologie humaine en classe de première, les acquis de l’enseignement de biochimie-biologie ouvrent des perspectives de poursuite d’études dans le domaine de la santé et des sciences du vivant en introduisant des grands concepts nécessaires à la compréhension des phénomènes biologiques.

Cet enseignement commun à l’ensemble des élèves de la série STL permet également à ceux qui ont choisi la spécialité SPCL d’acquérir, au travers de l’étude des bases moléculaires des grandes fonctions de nutrition et de reproduction, des clés pour comprendre les questions de santé humaine et contribuer ainsi à la formation du citoyen responsable.

Des perspectives sont ouvertes à la fois sur l’histoire des sciences et des technologies, et sur les enjeux contemporains. Elles permettent la réalisation de projets conduits avec des partenaires agréés ou des instances internes au lycée (par exemple, le comité d’éducation à la santé et à la citoyenneté).

Objectifs de formation

Ce programme permet l’acquisition de concepts-clés de biochimie et biologie nécessaires à la poursuite d’études dans le supérieur. Ces concepts fondamentaux peuvent être approfondis en classe terminale concomitamment à l’introduction de nouveaux concepts dans l’enseignement de biochimie-biologie-biotechnologies.

L’enseignement de biochimie-biologie en classe de première permet à l’élève de :

s’approprier des concepts-clés qui régissent les mécanismes biologiques à l’échelle de la cellule et de l’organisme ;
mobiliser ses connaissances sur la structure et les propriétés des principales molécules du vivant ;
maîtriser des organisations anatomiques, notamment à l’aide du dessin ;
interpréter avec rigueur des résultats expérimentaux obtenus en laboratoire ;
construire des raisonnements scientifiques rigoureux et formuler une argumentation rigoureuse et structurée ;
s’interroger sur les enjeux de santé individuelle et collective et s’ouvrir aux métiers de la santé et de la biologie en général ;
développer une pensée réflexive et critique.

Cet enseignement contribue au développement des compétences orales à travers notamment la pratique de l’argumentation. Celle-ci conduit à préciser sa pensée et à expliciter son raisonnement de manière à convaincre.

Repères pour l’enseignement

Le programme est constitué de deux modules thématiques :

mécanismes moléculaires et physiologiques de la nutrition,
mécanismes physiologiques et moléculaires de la reproduction et de la transmission des caractères héréditaires,

dans lesquels les activités technologiques sont contextualisées, ainsi que de quatre modules transversaux. Les savoir-faire et concepts de biologie, qui sont mobilisés dans les deux modules thématiques, favorisent la compréhension de phénomènes biologiques.

Le programme développe une démarche fondée sur la réitération des concepts et des savoir-faire dans des contextes différents permettant leur mémorisation et leur acquisition pérenne. Les items des quatre modules transversaux : « relations, structures et propriétés des biomolécules », « relations, structures et fonctions physiologiques », « milieu intérieur et homéostasie », « information et communication », sont abordés plusieurs fois afin que soit assurée la maîtrise de certains concepts et savoir-faire en fin de classe de première. Ces items sont sollicités dans les deux modules thématiques au moment opportun. Certains concepts sont par ailleurs repris ou approfondis en classe terminale STL biotechnologies.

L’approche repose sur l’activité de l’élève ou d’un groupe d’élèves qui exploitent des résultats de manipulations réalisées au laboratoire et utilisent des ressources numériques. Les activités proposées constituent autant de situations propices aux apprentissages visés. Une grande place est laissée à la liberté pédagogique du professeur qui peut sélectionner parmi les activités proposées, celles qui lui paraissent incontournables, des exemples pouvant être aussi choisis dans d’autres grandes fonctions biologiques pour faire acquérir les savoir-faire et concepts présentés dans les quatre modules transversaux.

Liens avec les autres enseignements de STL

L’enseignement de spécialité de biochimie-biologie est en lien avec l’enseignement de spécialité de biotechnologies et celui de physique-chimie et mathématiques. Les concepts de biochimie fondamentale nécessaires à la compréhension de principes de méthodes utilisées au laboratoire de biotechnologies mobilisent entre autres des acquis de chimie de l’enseignement de physique-chimie et mathématiques portant en particulier sur les groupements fonctionnels des molécules du vivant.

Une mise en relation avec l’enseignement moral et civique permet d’explorer les résonances sociétales et éthiques de la connaissance du vivant. Les questions de société peuvent donner lieu à un travail interdisciplinaire au sein d’une équipe pédagogique, associant les professeurs de lettres, d’histoire-géographie, de sciences économiques et sociales et de philosophie.

Modalités de lecture du programme

Le programme articule deux modules thématiques avec quatre modules transversaux. Ces derniers présentent les savoir-faire et concepts désignés par des numéros d’item, correspondant à des savoir-faire et concepts qui concernent les mécanismes moléculaires et physiologiques de la biologie humaine et du monde du vivant en général. Ils sont réinvestis en classe terminale dans l’étude d’autres organismes vivants.

Les modules thématiques se déclinent en différentes sous-parties :

digestion et excrétion pour les mécanismes moléculaires et physiologiques de la nutrition ;
physiologie de la reproduction et génétique moléculaire pour les mécanismes physiologiques et moléculaires de la reproduction et de la transmission des caractères héréditaires.

Chacune des parties précise les notions déjà abordées dans les programmes de SVT de collège et de seconde. Ces notions doivent être explicitement réactivées afin que soit ensuite assurée la maîtrise de nouveaux concepts s’appuyant sur les acquis des élèves.

Les modules sont construits selon le principe suivant :

les deux premières colonnes du programme permettent d’identifier les savoir-faire (colonne de gauche) et les concepts (colonne du milieu) indissociables que l’élève doit avoir acquis en fin de formation ;
dans la colonne présentant les concepts, la mise en relation de deux mots par une barre oblique attire l’attention sur le risque de confusion possible par les élèves et la nécessité de distinguer explicitement le sens de ces éléments ;
la colonne de droite propose un choix d’activités technologiques pour développer ces savoir-faire et acquérir ces concepts.

La présentation des modules thématiques comporte quatre colonnes supplémentaires qui renvoient vers les numéros des items correspondant aux quatre modules transversaux. Ainsi, l’introduction des concepts présentés dans les quatre modules transversaux (relation structure/propriétés, relation structure/fonction, homéostasie, information et communication) s’effectue de manière progressive et intégrée lors de la mise en œuvre des deux modules thématiques.

Exemple de lecture d’une ligne de tableau (schéma explicatif du programme) :

Savoir-faire : Établir un lien entre la fonction d’un organe et…

Concepts : Fonction d’absorption, …
Activités technologiques : Observations de coupes histologiques pour caractériser l’organisation…
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : items 1, 2, 3.

Le savoir-faire « Établir un lien entre… » mobilise le concept « fonction d’absorption » et les items 1, 2, 3 du module transversal « relation structure/fonction ».

Dans les modules transversaux, les activités non contextualisées peuvent être retenues comme des activités d’entrée dans les apprentissages mais également comme des activités de réinvestissement.

Pour accompagner la mise en œuvre du programme, des symboles sont utilisés :

[symbole] : le numérique apporte une réelle plus-value aux activités proposées ;
[symbole] : les expériences impliquent une mise en œuvre expérimentale au laboratoire de biochimie-biologie ;
[symbole] : le sujet se prête à la réalisation de projets, d’interventions de professionnels de santé ou d’étudiants dans le cadre du service sanitaire (politique de prévention) ;
la double flèche ⇔ symbolise les liens particuliers à établir avec les enseignements connexes.

Modules thématiques

Dans les tableaux qui suivent, les savoir-faire et les concepts constituent, pour l’élève, les objectifs en fin de formation ; les activités technologiques sont proposées, pour le professeur, en cours d’année. Les renvois indiquent les numéros des items des quatre modules transversaux (A – Relations structures et propriétés des biomolécules ; B – Relations structures et fonctions physiologiques ; C – Milieu intérieur et homéostasie ; D – Information et communication).

01 – Mécanismes moléculaires et physiologiques de la nutrition

Partie A : Digestion

Objectif de formation : étudier les mécanismes de la digestion chez l’être humain. Les aliments diversifiés sont digérés pour obtenir différents nutriments qui sont absorbés et distribués par le milieu intérieur. Comprendre comment un déséquilibre alimentaire peut entraîner des pathologies.

Notions déjà abordées : organisation de l’appareil digestif, surface d’échange, digestion chimique et mécanique, microbiote (cycle 4).

Savoir-faire : Identifier les biomolécules qui composent les aliments.

Concepts : Groupes d’aliments. Constituants alimentaires. Biomolécules.
Activités technologiques : Mise en évidence expérimentale de classes de biomolécules dans différents aliments : glucides, lipides, protides, vitamines. Analyse et comparaison d’étiquettes de produits alimentaires. Comparaison des caractéristiques des aliments simples et transformés.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 1, 2, 3, 4, 10, 11.

Savoir-faire : Déterminer les besoins nutritionnels quantitatifs et qualitatifs.

Concepts : Besoins qualitatifs. Besoins quantitatifs. Acides aminés essentiels. Acides gras essentiels. Allégation/recommandation. Macronutriment/micronutriment.
Activités technologiques : Analyse d’un plateau repas pour un élève au regard des repères du plan national nutrition santé. Analyse des apports d’une ration alimentaire équilibrée ou déséquilibrée.

Savoir-faire : Représenter par un dessin les organes du tube digestif et les glandes annexes.

Concepts : Exocrine. Lumière (milieu extérieur). Annexe/accessoire.
Activités technologiques : Repérage anatomique des organes digestifs et des glandes annexes et de la lumière en vue de dessiner l’appareil digestif.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 2, 7 ; Homéostasie : 1.

Savoir-faire : Établir un lien entre la fonction d’un organe et son organisation histologique.

Concepts : Fonction d’absorption. Contraction musculaire lisse. Péristaltisme. Différenciation cellulaire.
Activités technologiques : Observations de coupes histologiques pour caractériser l’organisation des tissus spécialisés de deux organes de l’appareil digestif.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 2, 3 ; Homéostasie : 1.

Savoir-faire : Présenter la digestion comme une simplification moléculaire.

Concepts : Réaction d’hydrolyse. Aliment/nutriment. Aliments non digestibles.
Activités technologiques : Digestion in vitro suivie d’une mise en évidence de transformations de biomolécules en nutriments. Mise en évidence de molécules non transformées (fibres alimentaires, cellulose). Exploitation d’expériences historiques.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 1, 2, 3, 4, 5, 10 ; Relation structure/fonction : 3.

Savoir-faire : Distinguer les mécanismes des digestions enzymatique, chimique et mécanique.

Concepts : Enzyme. Température optimale. pH optimal. Péristaltisme. Émulsification.
Activités technologiques : Mises en évidence : de l’intérêt de la digestion mécanique ; du mécanisme d’acidification de la lumière de l’estomac ; du rôle de la catalyse enzymatique ; de l’influence des paramètres physico-chimiques sur l’activité enzymatique ; du rôle de la bile dans la digestion des triglycérides.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 8, 12, 13 ; Relation structure/fonction : 3, 5 ; Homéostasie : 4.

Savoir-faire : Montrer que la digestion est dépendante du métabolisme microbien.

Concepts : Microbiote. Écosystème. Symbiose.
Activités technologiques : Présentation de travaux scientifiques montrant le rôle du microbiote intestinal dans la digestion. ⇔ Biotechnologies.

Savoir-faire : Construire un schéma fonctionnel présentant le devenir des biomolécules dans le tube digestif.

Concepts : Bol alimentaire. Chyme/chyle. Hydrolyse. Absorption.
Activités technologiques : Analyse des étapes de la digestion au sein du tube digestif.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 3, 4, 5, 11 ; Relation structure/fonction : 1, 2, 3.

Savoir-faire : Expliquer le lien entre la structure de la paroi intestinale et sa fonction d’absorption, à tous les niveaux d’organisation.

Concepts : Villosités/microvillosités. Cellule polarisée. Membrane apicale/membrane basale. Perméabilité membranaire. Diffusion. Transporteur. Transport passif/transport actif. Gradient électrochimique. Co-transport.
Activités technologiques : Observations de coupes histologiques et de micrographies de la paroi intestinale. Présentation de la perméabilité d’une membrane biologique. Présentation des modalités d’absorption du glucose et des acides gras à chaînes courtes par un entérocyte.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 4, 10, 11, 12, 13 ; Relation structure/fonction : 1, 2, 3 ; Homéostasie : 1, 3, 4.

Savoir-faire : Mettre en relation la nature des nutriments et leur circulation dans le milieu intérieur.

Concepts : Circulation lymphatique. Circulation sanguine. Système porte.
Activités technologiques : Suivi du trajet de quelques nutriments (glucose, ions, vitamines liposolubles). Schématisation du système porte hépatique.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 11, 12 ; Relation structure/fonction : 2, 3 ; Homéostasie : 1, 2, 3.

Savoir-faire : Schématiser le stockage et la libération des nutriments dans le cas des hépatocytes et des adipocytes.

Concepts : Anabolisme/catabolisme. Adipocytes. Hépatocytes. Glycogénogenèse/glycogénolyse. Lipogenèse/lipolyse.
Activités technologiques : Observation de formes de stockage sur une préparation microscopique. Réalisation de schémas présentant quelques voies métaboliques simplifiées (glycogénogenèse, glycogénolyse, lipogenèse, lipolyse). Le cas particulier des myocytes peut être abordé.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 3, 10 ; Relation structure/fonction : 1, 2, 3, 4 ; Homéostasie : 2, 3, 4.

Savoir-faire : Expliquer le rôle de l’insuline et du glucagon dans la régulation de la glycémie.

Concepts : Homéostasie. Hormone. Endocrine. Hyperglycémie/hypoglycémie. Boucle de régulation.
Activités technologiques : Comparaison de glycémies préprandiale et postprandiale. Mise en évidence du rôle de l’insuline et du glucagon. Étude de cas cliniques de diabète sucré.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 3 ; Relation structure/fonction : 2 ; Homéostasie : 2, 4, 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9, 10.

Partie B : Excrétion

Objectif de formation : étudier les mécanismes de formation de l’urine par le rein ; élimination des déchets de l’organisme, régulation de la quantité d’eau et de la composition du sang.

Savoir-faire : Représenter par un dessin les organes de l’appareil urinaire.

Concepts : Lumière (milieu extérieur). Uretère/urètre.
Activités technologiques : Repérage anatomique et observation des organes, des voies urinaires et de la lumière en vue de dessiner l’appareil urinaire.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 2, 3, 7 ; Homéostasie : 1.

Savoir-faire : Identifier l’unité fonctionnelle de formation de l’urine.

Concepts : Néphron.
Activités technologiques : Observation de lames d’histologie. Localisation du néphron à l’échelle du rein.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 3.

Savoir-faire : Illustrer les rôles du rein dans l’élimination de l’eau et de métabolites.

Concepts : Diurèse. Métabolites.
Activités technologiques : Comparaison de la composition du plasma et de l’urine définitive. Comparaison d’un hémodialyseur et d’un rein.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2 ; Relation structure/fonction : 2 ; Homéostasie : 1, 2, 5.

Savoir-faire : Expliquer les mécanismes de formation de l’urine et leur localisation.

Concepts : Filtration sélective. Réabsorption. Excrétion.
Activités technologiques : Comparaison de la composition du sang, du plasma, de l’urine primitive et de l’urine définitive. Exploitation d’un schéma fonctionnel du néphron.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 12, 13 ; Relation structure/fonction : 1, 3 ; Homéostasie : 1, 2, 4.

Savoir-faire : Mettre en relation la structure du corpuscule rénal et sa fonction de filtration.

Concepts : Glomérule. Podocytes. Pédicelles.
Activités technologiques : Analyse de clichés de corpuscules rénaux. Étude de la maladie de Berger pour établir un lien entre la taille des molécules filtrées et la structure du corpuscule.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 2, 3, 4 ; Homéostasie : 1.

Savoir-faire : Expliquer à partir d’un schéma le mécanisme moléculaire de la réabsorption du glucose.

Concepts : Saturation. Transporteur. Transport passif/transport actif. Gradient électrochimique. Co-transport.
Activités technologiques : Étude des conséquences d’une hyperglycémie pathologique sur la composition de l’urine. Mise en évidence du point commun entre les transports de glucose au niveau des cellules tubulaires proximales et des entérocytes.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 12, 13 ; Relation structure/fonction : 1, 3, 4 ; Homéostasie : 2, 4, 5.

Savoir-faire : Expliquer à partir d’un schéma simple la réabsorption d’eau régulé par l’ADH.

Concepts : Réabsorption. Gradient hydrique. Aquaporine. Volémie. Hormone. Membrane apicale/membrane basale.
Activités technologiques : Étude de cas cliniques de diabète insipide. Étude de l’action principale de l’ADH sur la perméabilité à l’eau des cellules du tube collecteur. Étude de l’action inhibitrice de l’éthanol sur la sécrétion d’ADH par la neurohypophyse.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 5, 13 ; Relation structure/fonction : 1, 3, 4, 5 ; Homéostasie : 1, 2, 4, 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9, 10.

02 – Mécanismes physiologiques et moléculaires de la reproduction et de la transmission des caractères héréditaires

Partie C : Physiologie de la reproduction

Objectif de formation : étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires et la régulation hormonale de la production des gamètes masculins et féminins. Mettre en lien avec les stratégies de maîtrise de la procréation.

Notions déjà abordées : organisation anatomique et rôle des appareils reproducteurs masculin et féminin. Systèmes nerveux et endocrinien, notion de glande endocrine et d’hormone, principales méthodes de contraception, principales méthodes d’assistance médicale à la procréation (AMP) (cycle 4 et 2GT).

Savoir-faire : Représenter par un dessin les principaux organes des appareils reproducteurs féminin et masculin.

Concepts : Appareil génital. Voie génitale. Gonade. Glandes annexes.
Activités technologiques : Repérage anatomique et observation des organes et des glandes annexes en vue de dessiner les appareils reproducteurs.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 2, 7.

Savoir-faire : Associer une fonction aux principaux organes.

Concepts : Production de gamètes. Nidation.
Activités technologiques : Observations de coupes de testicule, d’ovaire ou d’utérus.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 2, 3.

Savoir-faire : Expliquer à partir de documents le contrôle de la gamétogenèse et des caractères sexuels secondaires masculins par la testostérone.

Concepts : Gonade. Hormone. Puberté. Régulation. Caractères sexuels secondaires/caractères sexuels primaires.
Activités technologiques : Analyse de cas cliniques ou d’expériences réalisées sur des modèles animaux. Observation de coupes de testicules pour localiser les cellules de Leydig.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 11 ; Relation structure/fonction : 1 ; Homéostasie : 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9.

Savoir-faire : Expliquer à partir de documents le caractère cyclique du fonctionnement de l’ovaire en lien avec les concentrations des hormones hypophysaires.

Concepts : Folliculogenèse. Corps jaune. Ovulation. Hypophyse. Seuil de concentration.
Activités technologiques : Analyse de clichés d’échographie d’ovaires à différents stades. Explicitation des sigles FSH et LH en lien avec leur activité. Analyse de courbes montrant l’activité cyclique des sécrétions hormonales hypophysaires.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 11 ; Relation structure/fonction : 7 ; Homéostasie : 2, 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9, 10.

Savoir-faire : Expliquer à partir d’un document l’évolution de l’utérus en cas ou non de fécondation en faisant le lien avec l’impact des concentrations en œstrogènes et en progestérone sur l’endomètre.

Concepts : Cycle utérin. Prolifération. Endomètre. Nidation. Menstruations.
Activités technologiques : Étude des modalités de traitement de la stérilité par autogreffe de gonades ou traitement substitutif hormonal. Exploitation de coupes histologiques d’utérus en fonction du cycle en lien avec les concentrations hormonales.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 2, 3 ; Homéostasie : 2, 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9, 10.

Savoir-faire : Expliquer à partir de schémas fonctionnels la régulation des axes gonadotropes féminin et masculin.

Concepts : Cascade de régulation. Rétrocontrôle négatif. Rétrocontrôle positif. Valeur seuil. Hypothalamus/hypophyse. Assistance médicale à la procréation (AMP).
Activités technologiques : Utilisation de supports anatomiques pour visualiser la localisation respective de l’hypothalamus et de l’hypophyse. Analyse d’expériences historiques ou de cas cliniques permettant de montrer la cascade des contrôles et rétrocontrôles. Construction de schémas fonctionnels de synthèse comparant la régulation hormonale chez l’homme et la femme. Analyse d’un protocole simplifié de stimulation ovarienne dans le cadre de l’AMP.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 11 ; Relation structure/fonction : 1, 2 ; Homéostasie : 2, 3, 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9, 10.

Savoir-faire : Mettre en relation à partir de documents le mode d’action d’une méthode contraceptive hormonale et le fonctionnement des appareils génitaux.

Concepts : Rétrocontrôle. Glaire cervicale. Ovulation. Contraception d’urgence.
Activités technologiques : Identification des différents stades de la reproduction sexuée féminine pouvant servir de cible à un contrôle hormonal. Étude du mode d’action d’une pilule progestative et comparaison des concentrations hormonales physiologiques avec et sans contraceptif. Exploration de stratégies de recherche sur les contraceptifs masculins.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 11 ; Relation structure/fonction : 1, 2 ; Homéostasie : 4, 5 ; Information et communication : 6, 7, 8, 9, 10.

Partie D : Génétique moléculaire

Objectif de formation : étudier le caractère variable de la transmission des caractères phénotypiques parentaux d’une génération.

Notions déjà abordées : ADN, support de l’information génétique. Cellules somatiques à 46 chromosomes, gamètes à 23 chromosomes (cycle 4 et 2GT).

Savoir-faire : Expliquer à partir d’un support le mécanisme de production de gamètes haploïdes.

Concepts : Division équationnelle/division réductionnelle. Phases d’une mitose. Méiose/mitose. Chromosomes homologues. Chromatides. Division asymétrique.
Activités technologiques : Repérage des différentes phases de la méiose à partir de photographies. Comparaison de la chronologie des étapes de la gamétogenèse chez la femme et chez l’homme. Observation d’images mettant en évidence la formation d’un globule polaire.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 4, 6 ; Information et communication : 4, 5.

Savoir-faire : Identifier chaque stade de différenciation cellulaire de la formation des gamètes.

Concepts : Spermatogenèse. Spermatozoïde. Ovogenèse. Ovocyte.
Activités technologiques : Analyse des critères d’observation microscopiques permettant la reconnaissance des stades de la gamétogenèse à partir de coupes d’ovaire et de testicule.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 3, 4 ; Information et communication : 4, 5.

Savoir-faire : Décrire la chronologie du processus de fécondation.

Concepts : Ovulation. Ovocyte II. Métaphase II. Fécondation. Génome nucléaire.
Activités technologiques : Observation d’électronographies pour repérer les organites des gamètes. Analyse à l’aide d’une vidéo du trajet des gamètes et du déroulement de la fécondation.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 2, 4, 6.

Savoir-faire : Montrer les conséquences chromosomiques de la fécondation.

Concepts : Diploïde/haploïde. Additivité des génomes nucléaires. Génome mitochondrial.
Activités technologiques : Comparaison de caryotypes de gamètes et de cellules œuf. Analyse d’un caryotype dans le cas d’un gamète présentant une anomalie en lien avec la méiose. Étude d’un cas clinique lié à une mutation du génome mitochondrial et de sa transmission uniquement maternelle.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 4, 6 ; Information et communication : 5.

Savoir-faire : Expliquer par un dessin comment la méiose et la fécondation permettent les deux types de brassage chromosomique.

Concepts : Brassage interchromosomique/intrachromosomique. Appariement. Chromosomes homologues. Crossing-over. Ségrégation aléatoire.
Activités technologiques : Exploitation d’électronographies. Exercices de simulation de méioses et de fécondation.
Renvois modules transversaux : Relation structure/fonction : 1, 6 ; Information et communication : 1, 5.

Savoir-faire : Mettre en relation génotype et phénotype à l’échelle moléculaire à l’aide d’un exemple.

Concepts : Génotype/phénotype. Gène/allèle. Mutation visible. Caractères observables.
Activités technologiques : Comparaison de séquences alléliques différentes d’un même gène pour des individus de phénotypes différents simples à visualiser (drépanocytose, albinisme, etc.). Exercices comparés de transcription et traduction de séquences portant ou non une mutation ponctuelle.
Renvois modules transversaux : Relation structure/propriétés : 2, 5, 6, 7, 8, 9 ; Information et communication : 1, 2, 3.

Savoir-faire : Identifier le mode de transmission d’un caractère héréditaire à partir d’un arbre généalogique.

Concepts : Homozygote/hétérozygote. Allèles. Dominance. Récessivité. Autosome/gonosome.
Activités technologiques : Analyse comparée d’arbres généalogiques. Construction d’un tableau de croisement de gamètes.
Renvois modules transversaux : Information et communication : 1, 2, 3, 5.

Modules transversaux

A – Relations structures et propriétés des biomolécules

Objectif de formation : étudier les liens entre la structure et les propriétés physico-chimiques des biomolécules ainsi que la nature des interactions intermoléculaires à l’origine de phénomènes biologiques dynamiques.

Notions déjà abordées : molécule organique, molécule minérale, atome, ion (2GT).

Pour l’élève, objectifs en fin de formation : savoir-faire et concepts. Pour le professeur, en cours d’année : activités technologiques.

Item 1. Savoir-faire : Identifier les principales fonctions chimiques (alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, amine, amide, ester) associées aux groupes caractéristiques dans une molécule.

Concepts : Fonction chimique. Groupe caractéristique.
Activités technologiques : Activités de tri et de repérage des groupes caractéristiques dans des molécules organiques variées d’intérêt. ⇔ Physique-chimie et mathématiques.

Item 2. Savoir-faire : Représenter la formule semi-développée cyclique du D-glucose. Comparer les formules semi-développées cycliques et linéaires des molécules de D-galactose, D-fructose, D-ribose, D-désoxyribose à celle du D-glucose.

Concepts : Représentation plane de Haworth. Représentation plane de Fischer. Projection. Aldose. Cétose. Hexose/pentose.
Activités technologiques : Construction ou manipulation de modèles moléculaires. Comparaison des principaux oses au D-glucose. Activités de tri et de repérage. Activités de mémorisation de la molécule de D-glucose. ⇔ Physique-chimie et mathématiques.

Item 3. Savoir-faire : Identifier dans le maltose, lactose, saccharose, amidon et glycogène la nature du (des) ose(s).

Concepts : Monomère/dimère. Monomère/polymère. Liaison osidique. Ose/oside. Holoside.
Activités technologiques : Activités de tri et de repérage de la nature du(des) ose(s) au sein d’un oside simple.

Item 4. Savoir-faire : Représenter la formule générique d’un acide α-aminé de la série L. Expliquer la nature asymétrique de l’atome de carbone α dans un acide aminé.

Concepts : Fonction amine. Fonction acide carboxylique. Radical. Projection de Fischer. Acide α-aminé. Acide aminé L.
Activités technologiques : Construction ou manipulation de modèles moléculaires. Écriture en formule semi-développée d’une molécule d’acide α-aminé. ⇔ Physique-chimie et mathématiques.

Item 5. Savoir-faire : Schématiser la structure primaire d’un peptide en mettant en évidence la liaison peptidique.

Concepts : Liaison peptidique. Séquence d’acides aminés. Extrémité C-terminale. Extrémité N-terminale.
Activités technologiques : Représentations en formule semi-développée de peptides simples. Repérage des liaisons peptidiques au sein d’un peptide. Orientation de séquences peptidiques.

Item 6. Savoir-faire : Identifier la cystéine, la valine, la sérine, la lysine et l’acide glutamique. Repérer un acide aminé hydrophobe au sein d’une protéine. Identifier au sein d’une protéine la nature des liaisons intervenant dans sa structure tridimensionnelle.

Concepts : Pont disulfure. Interactions hydrophobes. Liaison ionique. Structure tridimensionnelle. Protéine fonctionnelle.
Activités technologiques : Utilisation d’un tableau présentant les classes d’acides aminés. Exploitation de documents, de banques de données numériques et/ou de logiciels de modélisation moléculaire de protéines pour relier les propriétés des chaînes latérales des acides aminés à la structure tridimensionnelle. Mise en évidence du lien entre la structure et la fonction de l’hémoglobine dans le contexte de la drépanocytose.

Item 7. Savoir-faire : Repérer au sein d’un acide nucléique la base, l’ose et le groupement phosphate composant les nucléotides. Représenter une séquence nucléotidique à l’aide des lettres symboles représentant les bases azotées. Identifier les points communs et les différences entre une molécule d’ADN et une molécule d’ARN.

Concepts : Nucléotide. Ribose/désoxyribose. Base azotée. ATCG/AUCG. Orientation 5’→3’. Brin d’ADN/brin d’ARN.
Activités technologiques : Description de la structure primaire de l’ADN. Visualisation 3D à l’aide de logiciels. Repérage de l’orientation de la liaison phosphodiester. Orientation d’une séquence de nucléotides.

Item 8. Savoir-faire : Expliquer l’influence des paramètres physicochimiques sur la conformation des biomolécules.

Concepts : Liaisons faible intramoléculaire. Structure tridimensionnelle. Dénaturation. pH limite. Température limite.
Activités technologiques : Mise en évidence de l’importance des liaisons faibles en faisant varier le pH ou la température.

Item 9. Savoir-faire : Expliquer le rôle des liaisons hydrogène entre les acides nucléiques monocaténaires pour leur interaction spécifique.

Concepts : Liaisons hydrogène inter-caténaires. A=T. C≡G. A=U. Hybridation moléculaire.
Activités technologiques : Repérage visuel des liaisons hydrogène entre les bases azotées de deux brins d’ADN complémentaires antiparallèles.

Item 10. Savoir-faire : Représenter la formule semi-développée d’un acide gras saturé. Représenter la formule semi-développée d’un acide gras mono-insaturé à partir de son écriture en nomenclature officielle.

Concepts : Fonction acide carboxylique. Chaîne carbonée. Saturation/insaturation. Nomenclature officielle des acides gras insaturés.
Activités technologiques : Écriture en formule semi-développée de quelques acides gras saturés et insaturés. Repérage des insaturations. Manipulation de maquettes moléculaires.

Item 11. Savoir-faire : Reconnaître le noyau stérane d’une hormone stéroïdienne ou d’une vitamine liposoluble.

Concepts : Cholestérol. Noyau stérane.
Activités technologiques : Comparaison de la structure des hormones stéroïdiennes de la reproduction et de la vitamine D avec celle du cholestérol.

Item 12. Savoir-faire : Identifier dans une biomolécule les zones pouvant interagir avec l’eau. Prévoir les liaisons faibles qui peuvent s’établir avec l’eau.

Concepts : Électronégativité. Polarité. Liaison hydrogène. Hydrophile/hydrophobe.
Activités technologiques : Repérage des parties hydrophobe et hydrophile d’une biomolécule. Activités expérimentales permettant de relier la polarité des molécules à leurs propriétés hydrophobes ou hydrophiles. Interprétation d’associations de phospholipides en micelles.

Item 13. Savoir-faire : Schématiser un phospholipide. Représenter schématiquement une membrane biologique dans un environnement aqueux. Expliquer la différence fonctionnelle entre un récepteur et un transporteur.

Concepts : Bicouche phospholipidique. Protéine membranaire. Transporteur/récepteur. Micelle. Phospholipide. Acide gras. Amphiphile.
Activités technologiques : Repérage des parties hydrophiles ou hydrophobes d’une molécule pour prédire ses propriétés vis-à-vis de la membrane plasmique. Observation d’électronographies ou de vidéos. Analyse de différents schémas de cellules présentant des récepteurs et des transporteurs afin de les différencier (entérocytes, cellule rénale, etc.).

B – Relations structures et fonctions physiologiques

Objectif de formation : étudier les différents niveaux d’organisation (appareils, organes, tissus, cellules) des organismes vivants et examiner en quoi leur structure est déterminante pour le fonctionnement de l’organisme.

Notions déjà abordées : notion d’être vivant, organismes, appareils, organes, cellules (cycle 4).

Pour l’élève, objectifs en fin de formation : savoir-faire et concepts. Pour le professeur, en cours d’année : activités technologiques.

Item 1. Savoir-faire : Estimer l’ordre de grandeur des objets d’étude à l’échelle microscopique. Associer un type de microscope à la taille de la structure observée.

Concepts : Ordre de grandeur. Échelle. Agrandissement/grossissement. Microscopie optique. Microscopie électronique.
Activités technologiques : Comparaison de différentes échelles de photographies microscopiques en vue de déterminer la nature du microscope utilisé. Observation de clichés obtenus par microscopie photonique et microscopie électronique. Détermination de la taille réelle d’une cellule et d’un organite. ⇔ Biotechnologies.

Item 2. Savoir-faire : Expliquer la contribution du rôle des organes à la fonction d’un appareil.

Concepts : Liens anatomiques.
Activités technologiques : Activités montrant la coopération entre les organes de l’appareil digestif ou de l’appareil reproducteur.

Item 3. Savoir-faire : Expliquer le lien entre la structure d’un tissu épithélial et la fonction de l’organe.

Concepts : Surface d’échange. Fonction exocrine. Cellule polarisée. Membrane basale/membrane apicale. Absorption. Lumière. Jonctions serrées.
Activités technologiques : Observations de coupes histologiques d’intestin, de testicule, d’ovaire, d’utérus, de néphron, de pancréas. Observation d’électronographies.

Item 4. Savoir-faire : Schématiser une cellule eucaryote avec ses organites.

Concepts : Organites. Membrane/enveloppe.
Activités technologiques : Observations de cellules au sein de différents tissus et d’électronographies. Comparaison avec la structure des cellules procaryotes. ⇔ Biotechnologies.

Item 5. Savoir-faire : Décrire le rôle du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi en lien avec leurs structures membranaires.

Concepts : Exocytose. Sécrétion/excrétion. Vésicule.
Activités technologiques : Illustration du rôle du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi. Observation d’électronographies ou d’autoradiographies.

Item 6. Savoir-faire : Expliquer le rôle du noyau dans la protection du matériel génétique.

Concepts : Enveloppe nucléaire. Pore nucléaire. Chromatide. Chromosome. Mitose.
Activités technologiques : Observation de noyaux à l’aide d’électronographies. Visualisation d’une vidéo afin d’observer le réarrangement de l’enveloppe nucléaire au cours de la mitose. Illustration du rôle du noyau et du pore nucléaire.

Item 7. Savoir-faire : Relier le choix d’une technologie d’imagerie médicale à la nature du tissu observé. Différencier sur une radiographie les os des tissus mous environnants.

Concepts : Rayons X. Ultrasons. Tissu mou. Tissu opaque aux électrons. Produit de contraste.
Activités technologiques : Comparaison des informations apportées par la radiographie aux rayons X et par l’échographie. Mise en relation de la nature des radiations et de leurs interactions avec les structures anatomiques explorées.

C – Milieu intérieur et homéostasie

Objectif de formation : comprendre l’importance des échanges de matière entre le milieu intérieur et les cellules. Analyser comment le maintien en équilibre dynamique des paramètres physiologiques assure la stabilité du milieu intérieur et le bon fonctionnement de l’organisme à toutes ses échelles.

Notions déjà abordées : niveau d’organisation du vivant, système cardiovasculaire (cycle 4), hormones sexuelles (2GT), espèce chimique, mélange, solubilité, propriétés acido-basiques (programme physique-chimie cycle 4).

Pour l’élève, objectifs en fin de formation : savoir-faire et concepts. Pour le professeur, en cours d’année : activités technologiques.

Item 1. Savoir-faire : Situer les différents compartiments liquidiens de l’organisme.

Concepts : Sang/plasma. Liquide interstitiel. Lymphe canalisée. Liquide intracellulaire/liquide extracellulaire.
Activités technologiques : Exploitation de clichés d’imagerie médicale. Utilisation d’outils informatiques présentant des images d’anatomie humaine. Schématisation du trajet d’une molécule dans les différents compartiments liquidiens au cours de l’absorption intestinale.

Item 2. Savoir-faire : Comparer la composition de différents compartiments liquidiens de l’organisme.

Concepts : Cellules sanguines. Ions. Biomolécules. Valeur de référence. Intervalle physiologique.
Activités technologiques : Exploitation de résultats d’analyses biologiques et biochimiques des liquides de l’organisme.

Item 3. Savoir-faire : Schématiser le trajet d’une biomolécule dans les circulations sanguine et lymphatique.

Concepts : Appareil circulatoire. Système lymphatique. Continuité anatomique. Système porte.
Activités technologiques : Exploitation de clichés d’imagerie médicale utilisant des biomolécules marquées.

Item 4. Savoir-faire : Caractériser un mécanisme de transfert de matière entre deux compartiments liquidiens de l’organisme.

Concepts : Transport actif/transport passif. Diffusion. Transporteur. Membrane cellulaire.
Activités technologiques : Identification d’un phénomène d’osmose. Caractérisation d’un échange transmembranaire.

Item 5. Savoir-faire : Repérer les différents éléments d’une boucle de régulation au service du maintien d’une homéostasie.

Concepts : Valeur de consigne. Capteur. Effecteur. Réponse adaptée. Grandeur régulée. Rétroaction.
Activités technologiques : Exploitation des conséquences pathologiques d’un dysfonctionnement de l’homéostasie. Expériences de suivi de perturbations du milieu intérieur (exemple de l’hyperglycémie provoquée).

D – Information et communication

Objectif de formation : étudier comment les systèmes vivants communiquent et maintiennent leur intégrité et leur identité en échangeant de l’information. Présenter les biomolécules comme support de l’information.

Notions déjà abordées : chromosome, ADN, information génétique, division cellulaire (cycle 4) ; communication sanguine, notion d’hormone (2GT).

Pour l’élève, objectifs en fin de formation : savoir-faire et concepts. Pour le professeur, en cours d’année : activités technologiques.

Item 1. Savoir-faire : Montrer que les propriétés informatives des acides nucléiques sont liées à leur structure primaire.

Concepts : Séquence nucléotidique. Orientation 5’→3’. ARN messager. Codage de l’information. Support de l’information.
Activités technologiques : Exploitation de résultats d’expériences historiques pour déduire l’importance de l’ADN dans l’acquisition de phénotypes. Exploitation des résultats d’expériences historiques pour déduire le rôle de l’ARN messager. Analyse d’articles de vulgarisation scientifique évoquant l’édition du génome et les modifications génétiques de cellules. (⇔ Biotechnologies)

Item 2. Savoir-faire : Schématiser les principales étapes de la synthèse des protéines à partir de l’ADN.

Concepts : Séquence nucléotidique. ARN messager. ARN polymérase. Transcription/traduction. Code génétique. Codon. Séquence peptidique. Ribosome.
Activités technologiques : Déduction de la séquence d’un ARNm et d’un peptide à partir d’un brin transcrit d’ADN en utilisant le code génétique. Exploitation de résultats d’expériences historiques d’autoradiographie afin de construire un schéma.

Item 3. Savoir-faire : Déterminer la conséquence d’une mutation d’une séquence nucléotidique d’ADN sur la séquence peptidique.

Concepts : Protéine non fonctionnelle. Cadre de lecture. Mutation faux-sens/mutation non-sens. Allèle sauvage. Mutation silencieuse. Génotype. Phénotype.
Activités technologiques : Exercices de transcription et de traduction comparés de portions d’allèles sauvages et mutés pour différents types de mutations ponctuelles. Analyse des conséquences phénotypiques d’une mutation ponctuelle dans différentes situations.

Item 4. Savoir-faire : Expliquer les modalités de répartition de l’ADN lors de la mitose. Tracer une courbe représentant la quantité d’ADN génomique en fonction de la phase du cycle cellulaire.

Concepts : Réplication. Mitose. ADN polymérase. Fidélité. Fuseau mitotique. Microtubule. Séparation des chromatides.
Activités technologiques : Analyse de courbes présentant la variation de la quantité d’ADN en fonction du cycle cellulaire. Identification de la phase du cycle en fonction du nombre et de la localisation des chromatides composant les chromosomes. Visualisation de vidéos présentant les modalités de séparation du matériel génétique au cours de la mitose.

Item 5. Savoir-faire : Expliquer les modalités de répartition de l’ADN lors de la méiose. Tracer une courbe représentant la quantité d’ADN génomique en fonction de la phase du cycle cellulaire.

Concepts : Séparation des chromosomes homologues. Mitose/méiose. Division réductionnelle/division équationnelle.
Activités technologiques : Visualisation de vidéos présentant les modalités de séparation du matériel génétique au cours de la méiose. Construction d’un schéma mettant en évidence la répartition des chromosomes et des chromatides au cours de la méiose. Analyse de courbes présentant la variation de la quantité d’ADN au cours de la méiose.

Item 6. Savoir-faire : Expliquer l’organisation générale d’une voie de communication.

Concepts : Émetteur. Messager. Effecteur. Voie de transmission.
Activités technologiques : Exploitation de ressources documentaires ou historiques pour mettre en évidence l’importance des différents acteurs d’une voie de communication.

Item 7. Savoir-faire : Réaliser un schéma mettant en évidence les principaux acteurs d’une communication hormonale.

Concepts : Glande endocrine. Sécrétion. Hormone. Voie sanguine. Cellule cible. Récepteur hormonal. Spécificité hormone-récepteur.
Activités technologiques : Construction d’un schéma fonctionnel à partir d’un texte décrivant l’intervention des acteurs.

Item 8. Savoir-faire : Identifier les caractéristiques d’une hormone.

Concepts : Cellule cible. Greffe. Voie sanguine.
Activités technologiques : Analyse d’expériences historiques ou d’articles scientifiques. Conception d’expériences permettant de montrer qu’une molécule présente les propriétés d’une hormone.

Item 9. Savoir-faire : Préciser le mode d’action d’une hormone hydrophile et d’une hormone hydrophobe à l’échelle de la cellule cible.

Concepts : Hormone peptidique hydrophile/hormone stéroïdienne. Récepteur membranaire/récepteur intracellulaire.
Activités technologiques : Comparaison de la structure et du mode d’action d’une hormone hydrophobe et d’une hormone hydrophile.

Item 10. Savoir-faire : Schématiser une boucle de régulation de la sécrétion hormonale. Identifier dans une boucle le type de régulation en indiquant les activations et les inhibitions.

Concepts : Boucle de régulation. Rétrocontrôle négatif. Rétrocontrôle positif. Activateur. Inhibiteur. Homéostasie.
Activités technologiques : Construction d’un schéma fonctionnel à partir d’une source documentaire.

Biotechnologies

Préambule

L’enseignement de spécialité de biotechnologies s’inscrit dans la continuité des enseignements scientifiques du collège et de la seconde.

Par une approche concrète au laboratoire, il vise à développer des compétences scientifiques et technologiques en biotechnologies, lesquelles sont définies par l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) comme « un domaine d’études et d’applications valorisant le vivant à des fins utiles à l’être humain en produisant des connaissances, des biens ou des services ».

Cet enseignement est assuré par des professeurs ayant des compétences solides de pratique en laboratoire de biotechnologies qui permettent une mise en œuvre rigoureuse des manipulations, l’acquisition de la démarche de préventions des risques au laboratoire et la transmission des fondamentaux de la métrologie.

Ils sont également capables de faire acquérir tous les concepts scientifiques qui sous-tendent les méthodes du laboratoire ainsi que le raisonnement scientifique associé qui permet de formuler une hypothèse, d’élaborer un protocole expérimental et d’analyser les résultats d’une expérience.

Objectifs de formation

L’enseignement de spécialité de biotechnologies vise la formation scientifique et technologique en biologie des élèves au cours du cycle terminal. Le programme de première assure l’acquisition de certains des concepts fondamentaux, en particulier scientifiques, nécessaires à la poursuite d’études dans le supérieur. Ils sont approfondis en classe terminale simultanément à l’introduction de nouveaux concepts.

Les connaissances et les capacités visées sont validées au cours de la classe terminale. Les objectifs sont les suivants :

développer sa curiosité dans différents domaines scientifiques ;
mettre en œuvre en autonomie des activités expérimentales en biotechnologies ;
acquérir la rigueur d’une démarche expérimentale par une confrontation au réel ;
construire un raisonnement scientifique pour émettre et répondre à des hypothèses ;
s’approprier la démarche d’analyse par l’approche expérimentale ;
développer une pensée réflexive et critique ;
formuler une argumentation rigoureuse et structurée ;
s’investir dans un projet et prendre des initiatives.

Repères pour l’enseignement

L’enseignement repose principalement sur des activités technologiques contextualisées dont la plupart sont à réaliser au laboratoire de biotechnologies. Il permet l’accès aux concepts scientifiques et technologiques. Les élèves manipulent individuellement afin d’acquérir progressivement une pratique solide du laboratoire. Ils peuvent être également amenés à se partager les tâches afin de travailler en complémentarité au sein de petits groupes.

L’enseignement vise à découvrir et acquérir des concepts fondamentaux de biologie et de biotechnologies nécessaires à des études supérieures. Il prend appui sur les activités technologiques proposées afin que l’élève atteigne les objectifs de formation visés.

Les objectifs d’acquisition des savoir-faire technologiques visés en fin de formation s’intègrent dans une logique de progressivité entre la classe de première et la classe terminale, et reposent sur une approche itérative. Ainsi, certaines techniques essentielles, comme les dosages spectrophotométriques ou la culture de micro-organismes, sont réalisées plusieurs fois dans des situations différentes afin de permettre l’acquisition d’un réel savoir-faire.

La contextualisation des activités technologiques repose sur les propositions de thématiques de biotechnologies qui constituent la dernière partie de ce programme. La construction de l’enseignement de biotechnologies fait donc appel à l’initiative et la créativité pédagogique du professeur.

Liens avec les autres enseignements de STL

L’enseignement de spécialité de biotechnologies développe des liens avec l’enseignement de spécialité biochimie-biologie et avec celui de physique-chimie et mathématiques. Il mobilise en particulier des outils mathématiques pour traiter les résultats expérimentaux obtenus par les élèves au laboratoire et des fondamentaux de chimie pour la mise en œuvre de certaines manipulations de biochimie au laboratoire.

Grâce à une forte contextualisation au sein des multiples domaines dans lesquels sont utilisées les biotechnologies, cet enseignement est le support des situations d’apprentissage du co-enseignement d’ETLV qui conduit au développement de compétences en langue étrangère, en particulier en langue anglaise, privilégiée pour la communication scientifique.

En outre, des liens avec l’enseignement moral et civique permettent d’explorer les résonances avec les questions de société et les enjeux éthiques des biotechnologies. Ainsi, les questions de société peuvent donner lieu à un travail interdisciplinaire au sein d’une équipe pédagogique, associant les professeurs de lettres, d’histoire-géographie, de sciences économiques et de philosophie.

Modalités de lecture du programme

Le programme est constitué de huit modules disciplinaires :

observer la diversité du vivant à l’échelle microscopique,
cultiver des micro-organismes,
caractériser pour identifier les micro-organismes,
réaliser un dénombrement de micro-organismes présents dans un produit biologique,
préparer des solutions utilisables au laboratoire,
détecter et caractériser les biomolécules,
séparer les composants d’un mélange,
déterminer la concentration d’une biomolécule dans un produit biologique,

portant sur le cœur des biotechnologies, et de quatre modules transversaux. Les activités mises en œuvre sont contextualisées dans des thématiques qui relèvent des différents domaines des biotechnologies. Ainsi, les savoir-faire, attitudes et concepts essentiels permettant de « travailler ensemble au laboratoire de biotechnologies » traversent les « fondamentaux technologiques et scientifiques des biotechnologies » et composent un enseignement permettant l’acquisition de compétences et de savoirs associés :

s’initier à la recherche expérimentale et à la démarche de projet en biotechnologies ;
prévenir les risques au laboratoire de biotechnologies ;
obtenir des résultats de mesure fiables ;
utiliser des outils numériques en biotechnologies.

Les concepts à maîtriser (colonne centrale) sont associés aux savoir-faire visés (colonne de gauche) et sont acquis par la mise en œuvre d’activités technologiques proposées (colonne de droite). Dans la colonne présentant les concepts, la mise en relation de deux mots par une barre oblique attire l’attention sur le risque de confusion possible par les élèves et la nécessité d’en distinguer explicitement le sens. Les deux premières colonnes constituent également un outil d’auto-évaluation pour les élèves qui souhaitent apprécier leurs acquis.

Les activités technologiques proposées sont représentatives des situations d’apprentissage propices aux acquis visés. Si elles ne sont ni exhaustives, ni toutes obligatoires, certaines sont incontournables.

Les symboles [symbole] et [symbole] permettent de distinguer les activités à réaliser au laboratoire [symbole] et les activités mobilisant le numérique [symbole].

La double flèche ⇔ symbolise des liens particuliers à établir avec d’autres modules du programme ou disciplines connexes.

La dernière partie de ce programme propose des exemples de thématiques de contextualisation dans les différents domaines des biotechnologies qu’il convient de mobiliser pour chaque activité technologique. L’enseignement se construit donc par un croisement des modules disciplinaires et des modules transversaux en contextualisant les activités dans une thématique relevant des biotechnologies.

Travailler ensemble au laboratoire de biotechnologies

Les modules transversaux permettent de développer des savoir-faire et attitudes faisant appel aux concepts fondamentaux. Ces savoir-faire et concepts sont utilisés dans les activités des différents modules disciplinaires. Leur mobilisation de manière itérative assure des acquis solides et pérennes. La recherche documentaire, la mise en œuvre expérimentale, la réflexion sur la procédure, l’approche calculatoire sont des occasions de mener un travail entre pairs. En revanche, les élèves doivent pouvoir s’investir individuellement dans des activités technologiques de laboratoire.

A – S’initier à la recherche expérimentale et à la démarche de projet en biotechnologies

L’initiation à la démarche de recherche en biologie mobilise les fondamentaux de l’ensemble des quatre modules transversaux. Le questionnement sur les avancées techniques en biotechnologies au cours de l’histoire permet de développer une réflexion éthique sur les conséquences de la recherche actuelle.

Cette démarche d’initiation à la recherche peut être mise en œuvre aussi bien lors des activités technologiques disciplinaires qui engagent toute la classe que dans le cadre de projets de groupe, en collaboration éventuelle avec des chercheurs en biologie. Cette initiation apporte les prérequis nécessaires au projet mené en terminale.

Enjeux des biotechnologies

Savoir-faire : Situer les évolutions majeures des biotechnologies dans une perspective historique. Illustrer, par un exemple, une application des biotechnologies dans chaque domaine.

Concepts : Biotechnologies blanches (domaine des procédés industriels), bleues (domaine de la biodiversité marine), vertes (domaine de l’agriculture), rouges (domaine de la santé), jaunes (domaine de la protection de l’environnement).
Activités technologiques : Analyse de documents, d’articles scientifiques des domaines d’application. ⇔ Biochimie-biologie.

Savoir-faire : S’interroger sur les aspects éthiques de l’application des biotechnologies sur les êtres vivants et l’environnement.

Concepts : Bioéthique. Opinion/point de vue.
Activités technologiques : Recherche documentaire scientifique ciblée et confrontation.

Mise en œuvre d’un projet au laboratoire de biotechnologies

Savoir-faire : Collaborer au sein du groupe. Formuler un questionnement technologique ou scientifique à partir d’un besoin. Proposer une expérience. Mettre en œuvre une procédure expérimentale. Exploiter les résultats. Rendre compte par un travail écrit ou oral.

Concepts : Écoute. Argumentation. Respect mutuel. Hypothèse. Procédure. Témoin. Conditions expérimentales.
Activités technologiques : Mise en œuvre de travaux de groupe. Confrontation d’idées, d’expériences ou d’interprétations. Compte rendu d’observation ou d’expérience. Valorisation du travail au sein du lycée.

B – Prévenir les risques au laboratoire de biotechnologies

Pour évoluer en autonomie au laboratoire, les élèves identifient les dangers, analysent les risques encourus, appliquent les mesures de prévention adaptées. En classe de première, il n’est pas attendu que les élèves proposent les mesures de prévention mais qu’ils acquièrent la démarche d’analyse des risques.

Lexique associé à la prévention des risques

Savoir-faire : Identifier un danger biologique, chimique, électrique. Mettre en relation les dangers et les risques encourus au laboratoire.

Concepts : Danger/risque. Classes de danger biologique. Pictogramme. Mentions de danger/mentions d’avertissement.
Activités technologiques : Analyse de données de sécurité d’étiquettes lors d’utilisation de produits chimiques dangereux. Utilisation de situations de la vie quotidienne pour distinguer danger, risque et dommage.

Savoir-faire : Identifier les différentes voies d’exposition relatives à un danger en lien avec la chaîne de transmission.

Concepts : Mode d’exposition/voie d’exposition.
Activités technologiques : Représentation des voies de transmission sur un schéma du corps humain : contact, inhalation, ingestion.

Démarche d’analyse des risques

Savoir-faire : Distinguer le risque pour le manipulateur et l’environnement, du risque pour le produit. Identifier au sein d’une situation de travail une situation exposante. Dégager au sein d’une situation exposante, les événements dangereux les plus probables. Faire le lien entre le risque, la probabilité d’apparition du dommage et sa gravité.

Concepts : Risque. Mesures de prévention. Situation exposante au danger. Événements déclencheurs. Dommage. Probabilité des risques. Évaluation des risques.
Activités technologiques : Mise en évidence d’éléments contribuant à la prévention des risques (lavage des mains avant et après manipulation). Analyse du logigramme de procédures opératoires pour identifier situations exposantes et événements dangereux. Évaluation du risque menée dans différentes situations exposantes.

Savoir-faire : Mettre en relation les mesures de prévention proposées et l’analyse des risques.

Concepts : Poste de travail. Équipements de protection collective. Équipements de protection individuelle.
Activités technologiques : Analyse a posteriori de la procédure associée aux mesures de prévention appliquées.

Mise en œuvre des mesures de prévention en lien avec les situations de travail

Savoir-faire : Mettre en œuvre une gestuelle adaptée aux risques analysés. Appliquer une procédure de désinfection de la paillasse. Appliquer une procédure de lavage des mains. Choisir le conteneur à déchets adapté.

Concepts : Désinfection. Déchets chimiques. Déchets à risque infectieux (déchets d’activités de soin à risques infectieux : DASRI).
Activités technologiques : Observation entre pairs de l’application des mesures de prévention. Exploration de l’efficacité de différents désinfectants. Étude de l’influence de la durée et du mode de lavage des mains. Analyse de la procédure pour identifier la nature des déchets.

C – Obtenir des résultats de mesure fiables

La métrologie étant indispensable à toute démarche d’assurance qualité, il est important d’acquérir, dès le lycée, les éléments fondamentaux de cette culture métrologique par leur mobilisation soutenue et réfléchie lors d’activités expérimentales en laboratoire.

L’exploitation de résultats expérimentaux nécessite de maîtriser quelques prérequis mathématiques tels que la conversion d’unités, les puissances de 10, la règle de proportionnalité, la résolution d’équations du premier degré, les écritures scientifique et décimale, la règle d’arrondi.

Lexique d’initiation à la métrologie et conventions d’écriture

Savoir-faire : Utiliser les symboles des grandeurs. Mettre en lien une grandeur dérivée et les grandeurs de base associées. Respecter les conventions d’écriture des grandeurs en associant les indices adaptés et les unités.

Concepts : Grandeurs de base. Grandeurs dérivées. Mesurage/mesurande. Valeur d’une grandeur. Indices. Unité.
Activités technologiques : Découverte du vocabulaire au travers de techniques ludo-pédagogiques. Vérification, à l’aide des unités, de la correspondance entre une grandeur dérivée et ses grandeurs de base. Illustration de l’importance des indices (entité, matrice) associés aux grandeurs.

Caractéristiques des instruments de mesure et des appareillages

Savoir-faire : Choisir un instrument en tenant compte de ses caractéristiques métrologiques. Utiliser un appareil de mesure à l’aide d’une fiche technique.

Concepts : Fiabilité. Intervalle de confiance des indications. Verrerie « ex ». Verrerie « in ».
Activités technologiques : Comparaison des caractéristiques métrologiques du matériel. Utilisation des fiches techniques des appareils avec gain progressif d’autonomie.

Principales caractéristiques d’un mesurage

Savoir-faire : Repérer les étapes de mesure d’une procédure. Identifier les points critiques d’une procédure opératoire. Qualifier les caractéristiques métrologiques d’une procédure.

Concepts : Indication de mesure/mesurande. Points critiques. Spécificité. Seuil de détectabilité. Grandeurs d’influence. Intervalle de mesures.
Activités technologiques : Choix de pipettes de caractéristiques métrologiques différentes pour prélever un volume. Comparaison de la spécificité et du seuil de détectabilité de deux méthodes de dosage des glucides. Mise en évidence de l’influence de la température sur la durée d’une réaction enzymatique.

Étalonnage à l’aide d’une solution étalon

Savoir-faire : Utiliser la relation d’étalonnage avec un étalon unique ou une courbe d’étalonnage pour déterminer la valeur mesurée.

Concepts : Étalon unique. Gamme d’étalonnage.
Activités technologiques : Mise en œuvre d’étalonnages en colorimétrie, en turbidimétrie, en volumétrie.

Utilisation du modèle de mesure pour exprimer le résultat de mesure

Savoir-faire : Établir l’équation aux grandeurs à partir du modèle de mesure. Établir l’équation aux unités d’après l’équation aux grandeurs. Établir l’équation aux valeurs numériques. Valider un calcul effectué. Utiliser les règles d’écriture scientifique. Exprimer le résultat de mesure à l’aide de l’incertitude donnée.

Concepts : Modèle de mesure. Grandeurs d’entrée. Grandeur de sortie. Valeur mesurée/résultat de mesure. Exposant. Incertitude.
Activités technologiques : Établissement de l’équation aux grandeurs à partir du modèle de mesure en lien avec l’enseignement de mathématiques. Vérification de l’homogénéité de l’équation aux unités. ⇔ Physique – chimie et mathématiques. ⇔ Module 4.

Vérification de l’acceptabilité des valeurs mesurées

Savoir-faire : Utiliser un document de métrologie pour vérifier l’exactitude de mesure grâce à un étalon de contrôle. Utiliser un document de métrologie pour statuer sur l’acceptabilité des valeurs mesurées. Rechercher l’origine d’un défaut d’exactitude.

Concepts : Exactitude de mesure. Erreur systématique. Erreur aléatoire. Erreur grossière. Intervalle d’acceptabilité. Erreur maximale tolérée. Étalon contrôle.
Activités technologiques : Utilisation d’un étalon contrôle lors des dosages spectrophotométriques et volumétriques. Comparaison des rôles de l’étalon de dosage et de l’étalon contrôle. Repérage des erreurs grossières et de leurs conséquences.

D – Utiliser des outils numériques en biotechnologies

Les biotechnologies offrent des situations variées qui mobilisent et renforcent les compétences numériques acquises au collège pour obtenir et traiter les résultats expérimentaux, visualiser les biomolécules dans l’espace, mener un travail collaboratif, présenter des conclusions, communiquer à l’écrit et à l’oral.

Savoir-faire : Utiliser un logiciel de visualisation 3D de molécules d’intérêt biologique.

Concepts : Représentation spatiale. Interactivité.
Activités technologiques : À l’aide d’un logiciel simple, initiation à la visualisation dans l’espace des molécules d’ADN, de protéines, d’oses. ⇔ Biochimie-biologie.

Savoir-faire : Consulter des bases de données. Trier les ressources. Élaborer une bibliographie, une sitographie.

Concepts : Mot clé. Filtre. Requête. Base de données/moteur de recherche. Pertinence de l’information : identification de la source et évaluation de sa fiabilité.
Activités technologiques : Réalisation de recherches documentaires dans le cadre d’activités technologiques ou d’un projet de groupe, avec l’aide du professeur documentaliste. ⇔ Module A.

Savoir-faire : Exploiter les résultats expérimentaux avec un tableur ou un logiciel dédié.

Concepts : Tableur – grapheur. Cellule. Fonctions mathématiques. Courbe de tendance.
Activités technologiques : Utilisation de logiciels pour traiter des résultats obtenus au laboratoire : courbe de croissance ou d’étalonnage, exploitation statistique, etc. ⇔ Modules 4 et 8.

Savoir-faire : Partager des documents en ligne.

Concepts : Outils collaboratifs. Documents partagés.
Activités technologiques : Co-construction d’un document en utilisant un outil collaboratif. ⇔ Module A.

Savoir-faire : Réaliser un support de présentation orale. Réaliser un document écrit structuré pour rendre compte d’une démarche.

Concepts : Lisibilité. Rigueur scientifique. Schématisation. Synthèse. Hiérarchisation.
Activités technologiques : Valorisation des activités de laboratoire par des communications externes à la classe. Utilisation de gratuiciels pour la planification d’un projet. Production d’un document numérique intégrant une image, une vidéo, un son. Entraînement à la présentation orale d’un projet. ⇔ Module A. ⇔ Français (expression écrite et orale).

Acquérir les fondamentaux technologiques et scientifiques des biotechnologies

1 – Observer la diversité du vivant à l’échelle microscopique

L’observation de cellules nécessite la réalisation de préparations microscopiques et l’utilisation maîtrisée du microscope optique. Elle permet une première approche de la classification des micro-organismes dans le monde vivant.

Savoir-faire : Réaliser un état frais à partir d’une suspension bactérienne en milieu liquide. Mettre en œuvre la coloration de Gram.

Concepts : Mobilité bactérienne. Coloration différentielle.
Activités technologiques : Réalisation d’états frais à partir d’eau de fleur, d’une culture en milieu liquide, d’une colonie isolée. Réalisation de colorations simples. Réalisation de colorations de Gram à partir de produits polymicrobiens.

Savoir-faire : Maîtriser la démarche d’utilisation du microscope optique.

Concepts : Oculaire/objectif. Grossissement. Champ microscopique.
Activités technologiques : Observation de préparations fournies ou réalisées : états frais, frottis, coupes histologiques.

Savoir-faire : Estimer la taille d’un élément microscopique.

Concepts : Grandissement/grossissement. Échelle.
Activités technologiques : Mesure de la taille de cellules sur des microphotographies. Utilisation d’un oculaire micrométrique ou du quadrillage d’un hématimètre. ⇔ Biochimie-biologie.

Savoir-faire : Dessiner une observation microscopique pour schématiser une structure. Compléter un dessin ou un schéma par un titre, une échelle, des annotations.

Concepts : Fidélité de représentation. Dessin d’observation/schéma.
Activités technologiques : Production de dessins d’observation d’appareil sporifère de moisissure, de leucocytes, de cellules végétales. Description d’observations microscopiques, de microphotographies. Description de films de préparations microscopiques.

Savoir-faire : Différencier un cliché de microscopie optique et un cliché de microscopie électronique.

Concepts : Critères de reconnaissance des types de microscopie. Échelle.
Activités technologiques : Comparaison de différents clichés obtenus avec différents types de microscope. ⇔ Biochimie-biologie.

Savoir-faire : Identifier les éléments caractéristiques des cellules observées. Distinguer les types cellulaires d’une bactérie, d’une micro-algue, d’une levure.

Concepts : Critères de reconnaissance cytologique des cellules. Eucaryote/procaryote. Bactéries/levures. Micro-algues. Arbre phylogénétique.
Activités technologiques : Repérage de structures cellulaires particulières utiles à la classification des êtres vivants. ⇔ Biochimie-biologie.

2 – Cultiver des micro-organismes

La culture des micro-organismes au laboratoire impose de travailler en milieu aseptique ou avec du matériel stérile. Le choix des milieux de culture nécessite de prendre en compte les besoins nutritionnels des micro-organismes. Un produit naturel étant le plus souvent poly-microbien, il est nécessaire de le mettre en culture en milieu solide afin de pouvoir isoler et caractériser chaque micro-organisme d’intérêt qui le compose.

Travail en milieu aseptique au laboratoire de microbiologie

Savoir-faire : Appliquer les méthodes de stérilisation du matériel pour protéger l’échantillon. Organiser le poste de travail. Manipuler en conditions d’asepsie avec des milieux stériles.

Concepts : Micro-organismes environnementaux. Niveau de confinement. Désinfection/stérilisation. Aseptique/stérile.
Activités technologiques : Mise en évidence de micro-organismes par prélèvement de surfaces diverses, d’air, d’eau. Comparaison d’ensemencements en zone d’asepsie ou non, avec des instruments stériles ou non.

Savoir-faire : Identifier les mesures contribuant à protéger le manipulateur ou l’environnement d’une contamination par une culture.

Concepts : Risque biologique.
Activités technologiques : Démarche d’analyse et de prévention des risques. ⇔ Module B.

Conditions nutritionnelles et milieux de culture

Savoir-faire : Faire le lien entre les deux types trophiques des micro-organismes non exigeants et leurs besoins nutritionnels. Choisir un milieu de culture adapté aux besoins nutritionnels d’un micro-organisme.

Concepts : Source d’énergie. Source de carbone.
Activités technologiques : Étude comparée de la croissance de micro-organismes sur des milieux en fonction de la composition en nutriments. Choix d’un milieu de culture adapté à un micro-organisme à l’aide d’une fiche technique.

Savoir-faire : Prendre en compte les paramètres physico-chimiques de culture en fonction des micro-organismes.

Concepts : Conditions physico-chimiques de culture. Aérobiose.
Activités technologiques : Mise en évidence de l’effet du pH, de la température, de la concentration ionique en Na+, de la teneur en dioxygène sur la croissance d’un micro-organisme.

Savoir-faire : Choisir un milieu d’orientation par acidification en vue de l’isolement d’un micro-organisme d’intérêt. Choisir un milieu sélectif en vue de l’isolement d’un micro-organisme d’intérêt.

Concepts : Milieu sélectif. Milieu d’isolement. Milieu d’orientation.
Activités technologiques : Identification des agents inhibiteurs, d’un indicateur de pH, d’un substrat fermentescible, à partir de la composition de milieux de culture. Étude comparée de cultures après ensemencement de produits polymicrobiens sur des milieux d’orientation sélectifs.

Savoir-faire : Préparer un milieu de culture et le conditionner en suivant une procédure. Repérer un barème de stérilisation et un manomètre sur un autoclave.

Concepts : Stérilisation. Conditionnement. Autoclave.
Activités technologiques : Préparation et stérilisation de milieux de culture en boîte de pétri ou en tube, en collaboration avec le personnel de laboratoire. Préparation d’un milieu de culture liquide par ajout d’un composé thermosensible stérilisé par filtration. Présentation d’un autoclave par le personnel de laboratoire habilité.

Savoir-faire : Ensemencer un milieu de culture liquide. Ensemencer un milieu de culture solide. Définir température et durée d’incubation. Identifier un milieu de culture pour garantir sa traçabilité.

Concepts : Inoculum. Turbidimétrie. Paramètres d’incubation.
Activités technologiques : Ajustage de l’inoculum à l’aide d’un étalon de Mac Farland. Étude comparée de cultures ensemencées en milieux solides à l’aide de différents instruments stériles. Observation et description d’un milieu liquide ensemencé après incubation.

Savoir-faire : Décrire une colonie bactérienne à l’aide des caractères macroscopiques. Observer un isolement pour repérer un contaminant.

Concepts : Colonie. Pureté. Contaminant.
Activités technologiques : Repérage de contaminants sur la base d’une description de colonies. Comparaison d’une croissance sur gélose ordinaire et sur gélose sélective.

3 – Caractériser pour identifier les micro-organismes

L’identification d’un micro-organisme nécessite d’étudier une souche pure et de comparer les caractères morphologiques, culturaux et métaboliques à ceux de micro-organismes référencés dans des tableaux d’identification. En classe de première, il convient de se limiter aux caractères morphologiques. Les caractères métaboliques et culturaux peuvent être évoqués à titre d’exemple et seront étudiés en terminale.

Nomenclature et classification

Savoir-faire : Utiliser les règles d’écriture de la nomenclature des bactéries pour les taxons suivants : familles, genres, espèces.

Concepts : Hiérarchie de la classification. Taxon.
Activités technologiques : Analyse d’un dendrogramme représentant la proximité génétique des espèces, genres et familles de bactéries à l’aide du pourcentage de similitude entre taxons.

Exploitation des caractères morphologiques des micro-organismes pour leur identification

Savoir-faire : Déterminer la forme, la taille et le mode de groupement des bactéries en vue de leur identification.

Concepts : Caractères microscopiques morphologiques.
Activités technologiques : Comparaison des caractères microscopiques morphologiques de différentes souches sur des colorations de Gram.

Savoir-faire : Distinguer les levures des bactéries par leur morphologie : forme, taille, présence de bourgeon.

Concepts : Critères différentiels.
Activités technologiques : Réalisation d’état frais de produit fermenté comportant des levures vivantes et des coques.

4 – Réaliser un dénombrement de micro-organismes présents dans un produit biologique

La démarche de dénombrement permet d’obtenir une concentration en cellules dans l’échantillon. Elle implique de connaître la quantité de produit analysé et de choisir la technique adaptée. En classe de première, seuls le dénombrement après culture en milieu solide et la numération directe en cellule de comptage sont réalisés afin d’être maîtrisés.

Réaliser un dénombrement par numération directe au microscope

Savoir-faire : Réaliser une numération directe au microscope en cytomètre manuel (hématimètre).

Concepts : Cellule de comptage.
Activités technologiques : Numérations directes de levures ou de micro-algues au microscope en cytomètre manuel.

Réaliser un dénombrement après culture en milieu solide

Savoir-faire : Préparer une suspension à partir d’un produit ou d’un échantillon. Déterminer par le calcul les dilutions à réaliser. Effectuer les dilutions décimales à ensemencer.

Concepts : Inoculum/échantillon. Dilutions en série. Dilutions décimales.
Activités technologiques : Préparation quantitative d’une suspension par pesée à partir d’un échantillon à forte concentration en cellules (levure déshydratée, produit alimentaire, terre, etc.) avec calcul des dilutions à réaliser.

Savoir-faire : Exploiter un résultat de dénombrement après culture en milieu solide. Ensemencer un volume exact de l’échantillon préparé. Interpréter le résultat d’un dénombrement en lien avec le contexte.

Concepts : Colonie/levure. Unité Formant Colonies (UFC). Inoculum ajusté. Valeur de référence réglementaire. Critère microbiologique.
Activités technologiques : Dénombrement des levures présentes dans une colonie isolée ou dans une préparation commerciale. Ensemencements en surface et dans la masse. Calcul, démarche métrologique et expression des résultats. ⇔ Module C.

Savoir-faire : Mettre en œuvre des méthodes de dénombrement en milieu solide et par numération directe.

Concepts : Méthode normalisée. Cellules revivifiables.
Activités technologiques : Comparaison des contraintes matérielles et des résultats d’un dénombrement d’une même suspension initiale.

5 – Préparer des solutions utilisables au laboratoire

La préparation de solutions nécessite de prendre en compte les caractéristiques de la solution à préparer, de choisir le matériel approprié, de poser les calculs utiles et d’adapter ses gestes en conséquence. Ce savoir-faire est utile dès la classe de première et indispensable en terminale et pour la poursuite d’études.

Savoir-faire : Identifier dans une procédure de préparation de solution les grandeurs d’entrée et la grandeur de sortie. Concevoir une procédure de préparation de solution par pesée, par dilution.

Concepts : Masse exacte. Concentration en masse. Concentration initiale/concentration finale. Dilution/facteur de dilution.
Activités technologiques : Analyse de procédures variées. ⇔ Module D. Confrontation des procédures écrites par un groupe d’élèves pour la réalisation d’une solution.

Savoir-faire : Choisir le matériel de précision adapté pour préparer une solution. Réaliser une pesée, une mesure de volume avec une gestuelle maîtrisée. Mettre en œuvre une procédure de préparation de solution.

Concepts : Conservation de la matière. Exactitude.
Activités technologiques : Utilisation de solutés colorés pour visualiser l’absence de perte de matière et la notion de dilution. Analyse des points critiques de la préparation d’une solution par pesée ou par dilution.

6 – Détecter et caractériser les biomolécules

Les biomolécules peuvent être détectées et caractérisées par leurs propriétés biochimiques ou physiques. Il s’agit d’une approche qualitative pour repérer la présence de la molécule mais sans évaluer sa quantité ou sa concentration. Ces méthodes sont remobilisées en terminale.

Détection d’une biomolécule par un réactif chimique

Savoir-faire : Identifier le réactif chimique dans une procédure. Analyser un résultat qualitatif. Proposer une procédure opératoire de détection.

Concepts : Spécificité du réactif. Témoin positif. Témoin négatif.
Activités technologiques : Détection de protéines, acides aminés, glucose, amidon. Élaboration de la procédure opératoire de détection. ⇔ Biochimie-biologie.

Caractérisation d’une biomolécule chromophore par son spectre d’absorption

Savoir-faire : Choisir le type de cuve adapté à la procédure opératoire. Réaliser un spectre d’absorption. Déterminer la longueur d’onde optimale.

Concepts : Spectre d’absorption. Absorbance maximale/longueur d’onde optimale. Zéro de l’appareil.
Activités technologiques : Comparaison des absorbances d’une même solution pour différents types de cuves et différentes longueurs d’onde. Réalisation et comparaison du spectre de différents chromophores (colorants alimentaires, pigments).

Détection d’une enzyme par son activité biologique

Savoir-faire : Identifier le(s) substrat(s) spécifique(s) de l’enzyme recherchée. Mettre en œuvre la détection de l’enzyme à pH et température fixés. Analyser un résultat qualitatif.

Concepts : Test qualitatif. Réaction enzymatique. Témoin positif. Témoin négatif. Spécificité. pH optimal. Température optimale.
Activités technologiques : Exploitation d’une fiche technique pour relever des informations utiles à la détection de l’enzyme. Détection des activités PAL (phosphatase alcaline), POD (peroxydase) dans les laits frais, pasteurisés. Vérification de la spécificité de substrat de l’enzyme en remplaçant un substrat par une molécule très proche. ⇔ Biochimie-biologie.

7 – Séparer les composants d’un mélange

Les composants d’un mélange sont séparés, soit pour être identifiés à l’aide de solutions « témoin » ou de référence, soit pour être collectés dans des solutions distinctes. Seules les techniques chromatographiques sont étudiées en première. Les principes des techniques électrophorétiques seront étudiés en terminale, en s’appuyant sur le programme de physique-chimie et mathématiques. Ils peuvent cependant être présentés succinctement et utilisés dès la classe de première, dans le cadre de projets nécessitant d’y recourir.

Séparation des biomolécules par chromatographie sur couche mince

Savoir-faire : Associer les propriétés biochimiques des molécules à séparer avec la nature des phases utilisées. Réaliser la procédure de la chromatographie sur couche mince en tenant compte des points critiques. Critiquer la qualité du chromatogramme obtenu. Identifier les biomolécules séparées par comparaison à des étalons.

Concepts : Chromatographie analytique. Phase fixe. Phase mobile. Liaisons faibles. Force d’entraînement. Force de rétention. Étalonnage par comparaison. Détection.
Activités technologiques : Mise en œuvre d’une chromatographie sur couche mince (CCM) pour séparer et identifier des glucides, des acides aminés, des alcools constitutifs des huiles essentielles à l’aide de leur rapport frontal. Identification des points critiques de la procédure : taille des dépôts, composition de la phase mobile, durée de la migration, qualité de l’exploitation pour des spots de petite et de grande taille. Mise en évidence de la limite de détection.

Séparation des biomolécules par chromatographie d’échanges d’ions dans le but de les purifier

Savoir-faire : Expliquer l’établissement de liaisons ioniques entre les molécules à séparer et les constituants des phases. Réaliser la procédure de la chromatographie sur colonne en tenant compte des points critiques. Critiquer la qualité de la séparation.

Concepts : Chromatographie préparative. Phase fixe chargée/phase mobile. Force de rétention/force d’entraînement. Fixation/lavage/élution.
Activités technologiques : Mise en œuvre d’une chromatographie d’échanges d’ions, en colonne ou en batch, pour séparer et récupérer les composants d’un mélange (par exemple d’acides aminés). Détection de molécules par dépôt d’un spot de chaque fraction récupérée, sur couche de silice et révélation immédiate ou bien identification par CCM.

8 – Déterminer la concentration d’une biomolécule dans un produit biologique

La détermination de la concentration d’une biomolécule dans un produit biologique s’effectue par des méthodes de dosages volumétriques ou spectrophotométriques utilisant des réactifs chimiques ou enzymatiques en référence ou non à une solution étalon.

Dosage d’une biomolécule par spectrophotométrie

Savoir-faire : Analyser une procédure pour déterminer la composition des milieux réactionnels. Établir le tableau de manipulation d’un dosage avec une gamme d’étalonnage. Mettre en œuvre la procédure de dosage, en respectant les conditions opératoires. Établir la relation de proportionnalité entre l’absorbance d’un chromophore et sa concentration. Analyser une procédure pour qualifier la nature enzymatique ou chimique d’un dosage.

Concepts : Chromophore/chromogène. Loi de Beer Lambert. Conditions opératoires. Dosage en point final. Étalon unique. Gamme d’étalonnage.
Activités technologiques : Établissement de la loi de Beer-Lambert en mesurant la variation d’absorbance en fonction de la concentration d’un composé naturellement coloré. Mise en œuvre du dosage de biomolécules chromophores (colorant alimentaire, ADN, protéines, pigments chlorophylliens). Mise en œuvre du dosage de biomolécules en point final (en présence d’un réactif chimique ou enzymatique). ⇔ Module C.

Dosage d’une biomolécule par volumétrie

Savoir-faire : Analyser une procédure pour identifier la solution à doser et la solution étalon en lien avec l’équation de la réaction chimique du dosage. Réaliser un schéma conventionnel du dosage. Déterminer le volume équivalent à l’aide d’un indicateur coloré.

Concepts : Solution à doser/solution étalon. Équation de la réaction du dosage. Équivalence. Oxydo-réduction. Réaction acido-basique.
Activités technologiques : Étalonnage par pesée d’une poudre étalon ou par prélèvement d’un volume de solution étalon. Dosage direct de l’acide éthanoïque du vinaigre blanc. Dosage direct de la vitamine C par le DCPIP (2,6-dichlorophénolindophénol). ⇔ Module C.

Thématiques pour l’enseignement de biotechnologies

L’enseignement de biotechnologies doit être contextualisé pour donner du sens aux situations d’apprentissage. Pour cela, il s’appuie sur des thématiques qui s’articulent les unes avec les autres au sein de différents domaines d’application, représentatifs des secteurs d’activité utilisant des biotechnologies, en particulier la santé, les bio-industries, l’environnement et le développement durable.

Pour chaque thématique, les activités technologiques proposées facilitent l’acquisition des savoir-faire et des concepts fondamentaux. Ni exhaustives, ni limitatives, elles peuvent être adaptées en fonction du tissu professionnel local et des formations supérieures proposées par l’établissement, en particulier les sections de technicien supérieur du secteur des biotechnologies.

Art et culture

Conservation du patrimoine :
- Lutte contre les moisissures (papier, bois) et les lichens (pierre).
- Bio-reconstruction des bâtiments.
- Utilisation d’amylase pour décoller les anciens documents.
Reconstitution historique :
- Recherche d’ADN dans des échantillons biologiques.
Bio-Art :
- Culture de micro-organismes et participation à des concours artistiques.
- Production de bio-cuir.

Santé

Exploration fonctionnelle et diagnostic médical :
- Analyses de sang.
- Analyses microbiologiques et biochimiques des urines.
- Analyses microbiologiques de pus.
- Diagnostic d’une pathologie : histologie, dosages biochimiques et analyses microbiologiques.
Prophylaxie et traitement :
- Hygiène et sécurité dans le domaine hospitalier : prévention des maladies nosocomiales.
- Antibiothérapie, sérothérapie, phagothérapie.

Bio-industries

Hygiène des locaux :
- Qualité microbiologique des surfaces.
- Aérobiocontamination.
- Efficacité de la désinfection.
Agro-alimentaire :
- Produits laitiers :
  - Contrôles qualité d’un lait : analyses microbiologiques, immunologiques et biochimiques.
  - Méthodes de conservation du lait.
  - Fabrication du yaourt, de fromage, de lait sans lactose.
- Boissons fermentées :
  - Fabrication de bière, de cidre, d’hydromel, de vin, de kéfir ou de vinaigre.
  - Croissance en bioréacteur.
  - Traitement du produit fini : pasteurisation, filtration.
- Probiotiques :
  - Fabrication d’un probiotique.
- Autres aliments :
  - Contrôles qualité biochimiques, microbiologiques et de la qualité nutritionnelle.
  - Recherche d’OGM, de mycotoxines.
Pharmaceutique et cosmétique :
- Médicaments :
  - Mesure de l’action d’antibiotiques.
  - Recherche de molécules actives.
  - Contrôle qualité biochimique : excipient et principe actif.
  - Comparaison entre médicament princeps et molécules génériques.
  - Production par génie génétique.
- Cosmétiques :
  - Fabrication de produits cosmétiques.
  - Évaluation de l’efficacité d’un conservateur (challenge-test).
  - Analyse des paramètres physicochimiques.

Transition écologique et développement durable

Chimie verte :
- Production d’un bioplastique.
- Test de la biodégradabilité de produits ménagers « faits maison ».
Bio-carburants :
- Agro-carburants et algo-carburants.
Bioluminescence :
- Mobiliers urbains sans électricité.
Agriculture biologique et raisonnée :
- Bio-insecticides : toxine « Bt » de Bacillus thuringiensis.
- Fertilisant écologique.
- Permaculture et aquaponie.
- Caractérisation ou identification génétique de variétés cultivées (semences anciennes, sylviculture, etc.).

Environnement

L’eau :
- Qualité microbiologique et biochimique.
- Impact d’une pollution nitrate sur la biodiversité.
- Recherche de bactériophages.
Le sol :
- Recherche d’actinomycètes.
- Qualité d’un sol et impact sur l’agriculture.
- Lombricomposteur.
Dépollution :
- Élaboration ou fonctionnement d’une station d’épuration.
- Biométhanisation.
- Puits à CO2, biofaçades.

Biochimie-biologie

Préambule

Objectifs de formation

Repères pour l’enseignement

Liens avec les autres enseignements de STL

Modalités de lecture du programme

Modules thématiques

01 – Mécanismes moléculaires et physiologiques de la nutrition

Partie A : Digestion

Partie B : Excrétion

02 – Mécanismes physiologiques et moléculaires de la reproduction et de la transmission des caractères héréditaires

Partie C : Physiologie de la reproduction

Partie D : Génétique moléculaire

Modules transversaux

A – Relations structures et propriétés des biomolécules

B – Relations structures et fonctions physiologiques

C – Milieu intérieur et homéostasie

D – Information et communication

Biotechnologies

Préambule

Objectifs de formation

Repères pour l’enseignement

Liens avec les autres enseignements de STL

Modalités de lecture du programme

Travailler ensemble au laboratoire de biotechnologies

A – S’initier à la recherche expérimentale et à la démarche de projet en biotechnologies

B – Prévenir les risques au laboratoire de biotechnologies

C – Obtenir des résultats de mesure fiables

D – Utiliser des outils numériques en biotechnologies

Acquérir les fondamentaux technologiques et scientifiques des biotechnologies

1 – Observer la diversité du vivant à l’échelle microscopique

2 – Cultiver des micro-organismes

3 – Caractériser pour identifier les micro-organismes

4 – Réaliser un dénombrement de micro-organismes présents dans un produit biologique

5 – Préparer des solutions utilisables au laboratoire

6 – Détecter et caractériser les biomolécules

7 – Séparer les composants d’un mélange

8 – Déterminer la concentration d’une biomolécule dans un produit biologique

Thématiques pour l’enseignement de biotechnologies

Sources officielles