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Spécialité Enseignement du Premier Degré

IUFM Pays de la Loire

Site Le Mans

En quoi la modélisation peut-elle faire

évoluer les conceptions des élèves sur le

Par TURLOT Elisa

Directeurs de mémoire :

HARDIVILLIER Yann

PATOUREAU Guy

Dans le cadre du séminaire

Année 2012-2013

Remerciements

Un mémoire a son auteur mais celui-ci ne peut écrire sans un entourage particulier. Je

HARDIVILLIER

Maine, et M. PATOUREAUoir suivi mon travail

e

de mon étude. Je remercie Mme TRASSART pour avoir organisé des séminaires riches

obstacles. Je tiens à remercier plus

particulièrement Adélaïde GASDON, étudiante participant au séminaire, avec qui les

échanges sur nos écrits ont permis de clarifier mes idées. Mme TRASSART a également été

e dans la mise en place de mon recueil de données. Ensuite, je tiens à faire des remerciements à M. GOLIAS et à sa

Les élèves se

sont investis durant les séafructueux. e prendre sa classe durant de nombreuses journées de stage. Je remercie Aline GASDON, mon binôme de stage qui a filmé des séances. Puis Mickaël COULON pour son soutien moral ainsi que mes parents, M. et Mme TURLOT, qui

ont été précieux lors de leurs nombreuses lectures. Enfin, je remercie M. et Mme Dykiel pour

leur correction du résumé en anglais.

SOMMAIRE

Partie 1 : Le concept de la respiration

I. La respiration cellulaire

1) Les mitochondries

a) Structure des mitochondries b) Les rôles

2) Le cycle de Krebs

a) Le principe b) Les bilans du cycle

3) Chaîne respiratoire

a) Fonctionnement de la chaîne respiratoire : les complexes b) La phosphorylation oxydative

4) Bilans

II.

1) Les instructions officielles

2) Dans les classes

Partie 2 : Le cadre théorique

I. Les conceptions

1) - ?

...........................................................................p 17 à 18

2) Comment faire émerger les représentations des élèves ?

...................................p 18 à 19

3) En quoi peuvent-elles être un tremplin dans les apprentissages ?

..............................p 19

II. La modélisation

Partie 3 : La méthodologie de recherche

I. Présentation du lieu de recueil

II. Les choix didactiques

p22

1) Objectifs de recherche et

2) La séquence

III. du recueil

1) Le recueil

2) La méthode

5

Partie 4

I. Analyse des dessins

II. La modélisation du diaphragme

III. Bib

Annexes

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Introduction

Avant toute exposition de ma problématique, il est nécessaire que je décrive à quel suivre une formation pluridisciplinaire appelée EICS (Enseignement, Information et Communication Scientifique). Cette licence, professionnalisante au métier de professeur des écoles, propose des cours de didactique ainsi que des enseignements disciplinaires tels que du fra. Mon sujet de mémoire a subi de grandes un travail de groupe réalisé en licence EICS lors du cours de didactique des sciences. Avec les étudiants de mon groupe,

nous avions exposé une séquence sur la circulation sanguine en appliquant la démarche

élèves a été pour moi une

réelle le cadre de mon mémoire. Au mois de janvier 2012, stage de pratique accompagnée alors mon sujet de mémoire. En effet, je devais construire et appliquer des séances en cl

étudié une séquence cohérente

et la digestion opté pour la respiration. Je projetais utiliser des méthodes que nous

avions étudiées en didactique des sciences et partir des conceptions des élèves. La démarche

que je souhaitais suivre pour la réalisation de la séquence coïncidait avec la méthode que je

mon mémoire sur le concept de la respiration, qui est pour moi un sujet tout aussi intéressant à

appliquer en classe que celui de la circulation. Le stage de pratique accompagnée en M1 a donc été Les conceptions ainsi que la pratique des élèves en classe sont importantes à mes yeux. conducteur de mon mémoire sera donc de tenter de voir en quoi la modélisation peut faire évoluer les conceptions des élèves sur le concept de la re En effet, les notions scientifiques exposées permettront de comprendre les choix didactiques

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du M

scientifiques en classe. Par la suite nous nous intéresserons au cadre théorique soulevé par

notre problématique. Nous dégagerons la notion de conception et de modélisation que nous associerons à la manipulation par les élèves , nous exposerons la

méthodologie utilisée pour réaliser le recueil de données et donnerons des pistes quant au

traitement des données. Enfin, nous présenterons ldes données et nous verrons que celle-ci nous a amené à modifier notre problématique.

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Partie 1 : Le concept de la respiration

Des plus jeunes aux plus anciens, nous savons que notre corps est constitué de muscles, rganes multiples mais leur rôle est à définir. En effet, en évoluant dans la scolarité, l de plus en plus précis et vise à faire un lien

entre toutes les notions développées. , en classe élémentaire, peut commencer à

comprendre que pour faire un effort physique, les muscles doivent se contracter pour créer un mouvement. Le geste est effectif selon plusieurs conditions : le cerveau contrôle la contraction du muscle synthétisée lors de la ventil

énergie ne sera

approché que plus tard au lycée, pour ensuite niversité.

I. La respiration cellulaire

1) Les mitochondries

La mitochondrie est une structure spécialisée de la cellule, appelée organite. On la trouve s sont absentes dans les cellules procaryotes contrairement aux eucaryotes dans lesquelles elles occupent un espace important et vivent en grand nombre. Elles sont de formes diverses selon le type de cellule. Nous étudierons les mitochondries de chez qui elles sont cylindriques. Baignant

dans le cytoplasme, elles se déplacent dans la cellule souvent associées aux réseaux de

microtubules qui facilitent leurs mouvements. Elles se déforment et peuvent fusionner entre elles ou bien se diviser. a) Structure des mitochondries s mitochondries explique par la théorie primaire. En

effet, une cellule eucaryote primitive phagocyte une bactérie. Il en résulte une cellule

eucaryote hétérotrophe ; la bactérie ingérée incarne le rôle de ce qui deviendra la

mitochondrie assurant la respiration cellulaire. Cette association est dite primaire car on

Les mitochondries sont constituées

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double membrane et ont leur endosymbiose primaire. ancêtre des mitochondries noyau cellule eucaryote primitive bactérie aérobie cellule eucaryote hétérotrophe

PHAGOCYTOSE

1 Figure 1: Lendosymbiose primaire :

mitochondrial chez les mitochondries. La membrane externe apparaît lisse et plane. Sa composition est proche de celle des

membranes du réticulum endoplasmique, elle est constituée de protéines à 60% et de lipides à

40%. Parmi les protéines, on trouve une grande quantité de protéines transmembranaires

appelées porines. Celles-ci dotent la membrane exte perméable important. externe ont un rôle primordial, particulièrement, les enzymes du métabolisme de dégradation (catabolisme), -CoA-synthétase qui

active les acides gras libres avant leur oxydation qui a lieu dans la mitochondrie, et les

transporteurs notamment les TOM (Translocase of the Outer Membrane) qui assurent le transport spécifique de protéines vers la mitochondrie. La double membrane est séparée par un espace intermembranaire. Dans cet espace, impliqué dans le transport des électrons, il se déplace le long de la membrane interne pour

naviguer entre plusieurs complexes de la chaîne respiratoire. On trouve également des

enzymes catalysant la phosphorylation de diverses molécules : les kinases.

1 Schéma réalisé par Turlot Elisa, le 15/05/2012.

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Composé à 75% de protéines et 25% de lipides, la membrane interne se caractérise par

son imperméabilité à un grand nombre de molécules. Cela lui confère le rôle de frontière entre

le hyaloplasme (espace cellulaire, gel comprenant le cytosol et le cytosquelette) et la matrice.

La membrane interne, plissée, forme

appelées crêtes mitochondriales. La base d e . Ces invaginations de la membrane interne permettent s. Parmi le grand nombre de protéines qui compose la membrane, des espèces majeures ont un rôle fondamental : - des protéines de transport spécifique (perméases) qui sélectionnent les molécules et permettent leur passage dans les deux sens à travers la membrane, - des transporteurs TIM (Translocase of the Inner Membrane) assurant le transport des protéines en provenance des TOM à destination de la matrice ou de la membrane interne pour insertion, - des enzymes la chaîne respiratoire, - des complexes enzymatiques ATP synthase, - les complexes protéiques transmembranaires de la chaîne respiratoire. Les mitochondries, organites particuliers, contiennent leur propre ADN fonctionnel.

On le trouve dans la matrice mitochondriale.

éléments nécessaires à la réplication, la transcription et la traduction du matériel génétique

mitochondrial : des ARNm, ARNt, ARNr, des enzymes, -CoA. Provenant de la dégradation des acides gras, des oses et des acides aminés, il est le substrat majeur qui alimente le cycle de Krebs.

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2

Figure 2

b) Les rôles La mitochondrie intervient à des niveaux différents dans la cellule eucaryote. Nous développerons quatre processus fondamentaux dans lesquels elle entre en jeu. Premièrement, elle prend part

sont dégradées ou synthétisées dans la matrice mitochondriale. Deuxièmement, elle produit

, principale forme de réserve et dans la cellule.

ATP. Troisièmement, est

impliqué oméostasie du Ca++. La régulation de la concentration de cet ion dans la

cellule permet de rester à un équilibre relatif. Enfin, la mitochondrie contrôle le devenir de la

cellule peut déclencher appelé plus communément la mort cellulaire programmée.

2 Issue de KARP, G. C. Biologie cellulaire et moléculaire. Bruxelles : Editions De Boeck

Université, 2010, 818 pages. Chapitre 5, p184.

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2) Le cycle de Krebs

a) Le principe tricarboxyliques est la " plaque tournante voie de

catabolisme oxydatif du groupement acétyl de la forme acétylée du coenzyme A (acétyl-CoA)

(forme activé : le cycle oxyde les résidus acétyle (CH3 en dioxyde de carbone (CO

2) par une série de réactions dégradant -CoA.

acétyl-CoA est triple. En effet, il provient -oxydation des acides gras et

indirectement du catabolisme glucidique et protéique où une molécule de pyruvate est

transformée ate déshydrogénase en acétyl-CoA. La glycolyse produit deux molécules de pyruvate pour un glucose dégradé. Ces deux pyruvates servent de substrat pour le cycle de Krebs car elles permettront la synthèse de deux acétyl-CoA. Le cycle a lieu dans la matrice mitochondriale des cellules. Le cycle de Krebs est essentiel au mé glucose, des acides aminés et des acides gras. Il est qualifié de voie amphibolique car il est

impliqué à la fois dans le catabolisme dans la mesure où il dégrade des substrats énergétiques

et dans mène à des molécules intermédiaires qui voies métaboliques.

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Le cycle de Krebs est composé de 8 réactions : 3

Figure 3

: Le cycle de Krebs de reconstituer le substrat initial.

Un nouveau cycle peut alors commencer.

3 Issue de VALENTINI, F. Rosny-sous-Bois : Bréal, 2005. Fiche 20 la respiration,

figure 2 p95.

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b) Les bilans du cycle A chaque tour dans le cycle, pour une molécule de résidu acétyle, on obtient : acétyl-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2 H2O

2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA

Lors des réactions 3 et 4, une molécule de CO2 est produite ce qui représente au total 2 CO

2 libérés par le cycle de Krebs. Les deux atomes de carbone et un oxygène sont perdus par

le groupement acétyle tandis que les trois autres a

2O entrées dans le cycle et consommées dans les réactions 1, 2 et 7.

Le bilan métabolique montre que les coenzymes NAD + et FAD ont été réduits pour former trois molécules de NADH,H + et une molécule de FADH2. intermédiaires

primordiaux au fonctionnement de la chaîne respiratoire. Enfin, le cycle synthétise à chaque

- qui peut permettre la phosphorylat

La finalité du cycle de Krebs est de synthétiser des molécules énergétiques

intermédiaires utiles, par la suite dans la chaîne respiratoire, .

3) Chaîne respiratoire

a) Fonctionnement de la chaîne respiratoire : les complexes La chaîne respiratoire est localisée sur la membrane interne de la mitochondrie. Elle se compose de quatre protéines membranaires fixes : complexes I, II, III et IV. mitochondrial possède plusieurs chaînes respiratoires qui peuvent fonctionner en parallèle. Le rôle primordial de la chaîne respiratoire est la , réalisée par le biais de la réoxydation du NADH,H + et du FADH2 synthétisés lors de différentes voies cataboliques dont essentiellement le cycle de Krebs. en condit2. formation lui- même issu de émiNADH,H+ et FADH2 (deux

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). La chaîne respiratoire est donc une chaîne de transport Tous les complexes de la chaîne sont constitués de nombreuses sous unités et sont Le complexe I (ou complexe de la NADH déshydrogénase) reçoit le transporteur NADH,H+ formé au cours du cycle de Krebs. Une f- soufre (Fe/S) vont permettre au complexe I et de transférer les électrons au complexe suivant. Le coenzyme NADH,H + est régénéré en NAD+ par cession de deux

électrons. Suite à plusieurs réactions, la flavoprotéine et les centres Fe/S transfèrent

finalement les deux , un transporteur mobile de la chaîne respiratoire, qui les amène e transfert de transporter quatre à cinq protons de manière active de la matrice

Le complexe II (ou succinate déhydrogénase)

autres complexes, il est en forte interaction avec la face matricielle de la membrane interne de la mitochondrie. Ce complexe respiratoire. En effet, il oxyde le succinate en fumarate. Les électrons arrachés au succinate vont permettre la réduction du coenzyme FAD en FADH

2 qui reste lié au complexe II. Le transporteur cède ses deux

électrons à des centres Fe/S du complexe II qui les transfèrent par la suite au complexe III. A

transmembranaire. Le complexe III (ou complexe cytochrome b+c1) accepte les électrons en provenance de grâce aux cytochromes du complexe. Un cycle complexe faisant intervenir notamment les cytochromes b et c1 va permettre le transfert des électrons au cytochrome c (transporteur mobile). Ce transporteur achemine les deux complexe III permet la lib Le complexe IV (ou cytochrome c oxydase) est le dernier de la chaîne de transport des électrons. Le complexe est composé de deux cytochromes (hème a et hème a

3) et de deux ions

cuivre (Cu A et CuB). Les quatre électrons (deux libérés par le complexe I et deux par le complexe II) sont transférés un à un du cytochrome c au complexe IV. Les électrons sont

Ahème a puis le 3 et

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du Cu

B. Après réduction totale du complexe, les électrons sont transférés simultanément sur

une molécule de din des rôles du complexe IV est de catalyser la réduction de De fait, quatre protons de la matrice mitochondriale sont captés par le complexe IV permettant la réaction donnant deux : O

2 + 4 e- + 4 H+ 2 H2O.

Ce mécanisme attribue au complexe le rôle de pompe à protons.

4Figure 4 :

par phosphorylation oxydative. ase aboutira à b) La phosphorylation oxydative

Au cours de la chaîne respiratoire, qui

un gradient électro-chimique de protons, par leur expulsion dans

4Issue du site internet www.cours-pharmacie.com. http://www.cours-pharmacie.com/biochimie/chaine-

respiratoire-et-phosphorylation-oxydative.html (publié le 08/09/2009). SIMON M., fondateur et rédacteur

principal. Date de consultation le 30 avril 2012.

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. La réduction de ce gradient conduit les protons à se diriger vers la

empruntant une perméase spécifique appelé F0. association de F0 à une seconde sous unité

F1 Ce complexe, situé à

de la chaîne respiratoire, Afin de dissiper le gradient électro-chimique, intermembranaire vers la matrice à travers le canal protonique de F0. Le passage des protons active F1, véritable turbine moléculaire. F1 est doué e activité ATP synthase ce qui lui permet de synthétiser .

ADP + Pi ATP + H2O

4) Bilans

Le rejet de CO

2 2O ou bien encore la consommation 2 sont des manifestations de

la respiration. Un ensemble de réactions allant du cycle de Krebs à la phosphorylation

oxydative en sont les causes molécules de dioxyde de carbone. De plus, le dioxygène est réduit en H

2O dans le complexe

IV de la chaîne respiratoire.

La chaîne respiratoi transports complémentaires : le transport spontané des électrons est dit exergonique, car il l et la

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5Figure 6

. Le

38 ATP :

La glycolyse produit 2 molécules de pyruvate, 2 NADH,H+ et 2 ATP. Les 2 pyruvates en produisant 2 acétyl-CoA génèrent 2 NADH,H+ : o 6 NADH,H+ et 2 FADH2 2 acétyl-CoA dans le chaîne respiratoire et génèrent 22 ATP. o Les 2 NADH,H+, issus de la synthèse des 2 acétyl-CoA, sont utilisés dans la chaîne respiratoire et permettront de produire 6 ATP. Les 2 NADH,H+ issus de la glycolyse entrent dans la chaîne respiratoire et génèrent 6 ATP.quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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