Sujet du Bac ST2S Chimie, Biologie et Physiopathologie Humaines 2021 · Métropole remplacement

Exercice 1: L'échographie fœtale (10 points)

Mots-clés: principe d'une échographie, fréquence et longueur d'onde.

L'échographie est une technique d'imagerie médicale indolore et sans danger utilisant les phénomènes de réflexion partielle et de transmission des ultrasons dans les différents milieux de l'organisme. Elle contribue grandement au dépistage anténatal de la trisomie 21.

Document 1: Principe d'une échographie

La sonde de l'échographe est constituée d'un émetteur et d'un récepteur d'ultrasons. Le récepteur reçoit un signal lorsque l'onde ultrasonore est réfléchie par un organe ou un tissu. Les différents signaux reçus sont traités ce qui permet de reconstituer l'image correspondant à la zone explorée.

Les tissus qui ne renvoient pas de signal paraissent noirs sur l'image alors que les surfaces très réfléchissantes apparaissent blanches.

La qualité de l'image dépend de la fréquence de l'onde émise. Les ondes de basse fréquence sont moins atténuées. Par exemple, dans les tissus mous, à 5 MHz, on peut explorer jusqu'à 12 cm de profondeur alors qu'à 10 MHz, on atteint seulement 6 cm. Par contre, la résolution (capacité à séparer des détails voisins) est d'autant meilleure que la fréquence est plus élevée.

Données

$1\text{ MHz} = 10^6\text{ Hz}$ et $1\text{ }\mu\text{s} = 10^{-6}\text{ s}$.

Vitesse des ultrasons dans différents milieux de propagation:

Milieu de propagation

Vitesse des ultrasons $v$ ($\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$)

Air à 20°C

343

Eau à 37°C

1500

Tissus mous à 37°C

1540

1.

En exploitant le document 1, citer un avantage et un inconvénient de l'utilisation d'ondes ultrasonores de fréquences élevées.

2.

Rappeler l'expression reliant la longueur d'onde $\lambda$, la fréquence $f$ et la vitesse $v$ de propagation de l'onde. Préciser les unités des grandeurs.

3.

Calculer la longueur d'onde $\lambda$ d'une onde ultrasonore de fréquence $5\text{ MHz}$ dans l'air.

4. Pour déterminer la position du fœtus dans l'utérus de la mère, considéré comme un tissu mou, on utilise des ondes ultrasonores de fréquence $5\text{ MHz}$. La durée $\Delta t$ qui s'écoule entre l'émission et la réception de l'onde par la sonde est de $93\text{ }\mu\text{s}$.

4.1.

En reproduisant succinctement sur la copie le schéma du document 3, matérialiser la distance $d$ qui sépare le fœtus de la sonde.

4.2.

Donner la relation entre $d$ et le trajet $D$ des ondes ultrasonores entre l'émetteur et le récepteur.

4.3.

Donner l'expression littérale reliant la distance $d$, la durée $\Delta t$ et la vitesse $v$ de l'onde ultrasonore.

4.4.

Montrer que la distance $d$ à laquelle se trouve le fœtus de la sonde vaut environ $7\text{ cm}$.

4.5.

À l'aide des informations du document 1, indiquer si le praticien est capable d'obtenir une image du fœtus de meilleure résolution en utilisant des ondes ultrasonores de plus haute fréquence.

Exercice 2: L'analyse sanguine de la femme enceinte (10 points)

Mots-clés: Débit, dosage par étalonnage, oxydoréduction.

Dans le cadre du suivi médical d'une patiente enceinte, une analyse sanguine est prescrite.

Document 1: Anémie de la femme enceinte

L'anémie est un défaut d'hémoglobine dans le sang. 10 à 20 % des femmes enceintes développent une anémie au cours du 3 e trimestre de la grossesse. L'hémoglobine présente dans les globules rouges contient du fer et assure le transport de l'oxygène dans le corps. Lorsque l'organisme en manque, cela peut provoquer de la fatigue, des vertiges, des maux de tête, une perte d'appétit, des troubles de l'humeur ainsi que la pâleur de la peau.

Souffrir d'anémie pendant la grossesse peut entraîner des complications:

En cas de carence en fer sévère, la mère peut moins bien tolérer les pertes sanguines de l'accouchement. Elle aura alors plus de risques d'avoir besoin d'une transfusion sanguine;

L'anémie de la femme enceinte peut favoriser la prématurité du bébé et un faible poids de naissance.

D'après https://www.pharmaciengiphar.com/

Donnée: Masse molaire de l'hémoglobine $M = 64 \times 10^3\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

Pour effectuer le prélèvement sanguin, une petite aiguille est introduite dans une veine de l'avant-bras de la patiente. Un tube placé à l'extrémité libre de l'aiguille permet de recueillir le sang qui s'écoule. Il faut environ 10 secondes pour remplir 3 tubes de 4 mL chacun.

1. Rappeler la définition du débit en volume d'écoulement d'un fluide. Préciser une unité dans laquelle il peut s'exprimer.

2. Calculer le débit du sang lors du prélèvement.

3. Dans l'hémoglobine, le fer se trouve sous la forme de cation $\mathrm{Fe^{2+}}$. Ce cation est susceptible de se transformer en $\mathrm{Fe^{3+}}$ selon la demi-équation d'oxydoréduction:

$$\mathrm{Fe^{2+} = Fe^{3+} + e^-}$$

3.1.

Préciser si le cation $\mathrm{Fe^{2+}}$ est l'oxydant ou le réducteur du couple.

3.2.

Indiquer si la demi-équation d'oxydoréduction écrite est une oxydation ou une réduction.

4. En exploitant les documents 1 et 2, justifier que la patiente dont l'analyse de sang est présentée dans le document 2 souffre d'anémie.

5. Le dosage de l'hémoglobine permet de diagnostiquer une éventuelle carence en fer et de prescrire un traitement adapté. Une carence en fer est déclarée lorsque la concentration en hémoglobine est plus faible que la plus petite valeur de référence.

Le protocole simplifié du dosage est le suivant: on mélange quelques microlitres d'échantillon sanguin à un volume donné de réactif de Drabkin. La solution obtenue est colorée. L'absorbance de cette solution est proportionnelle à la concentration $C$ de l'hémoglobine dans l'échantillon traité.

Dans les conditions de l'expérience, la droite d'étalonnage réalisée pour un dosage par étalonnage a pour équation:

$$A = 0{,}189 \times C \quad \text{où } A \text{ est sans unité et } C \text{ s'exprime en } \mathrm{mmol\cdot L^{-1}}.$$

Cette équation est obtenue expérimentalement grâce à l'élaboration d'une échelle de teinte, c'est-à-dire de solutions de concentrations connues en hémoglobine dont la couleur est plus ou moins marquée.

5.1.

Indiquer comment l'usage d'une échelle de teinte permet d'établir la relation entre $A$ et $C$.

5.2.

Un échantillon de sang est analysé par la méthode de Drabkin et l'absorbance mesurée est $A = 0{,}31$. Calculer la concentration $C$ en quantité de matière d'hémoglobine dans l'échantillon de sang.

5.3.

Indiquer si une carence en fer est diagnostiquée.

Exercice 3: Le lait maternel (10 points)

Mots-clés: fonctions chimiques, énantiomérie, couple acide/base.

Le lait maternel est le mode d'alimentation de référence du nouveau-né. Il contient les nutriments indispensables au nourrisson dont la L-Carnitine, nécessaire pour le transport des acides gras à longue chaîne et d'autres acides organiques à travers les membranes mitochondriales. La L-Carnitine intervient lors de la transformation des graisses en énergie.

1.

La L-Carnitine est une base selon Brönsted. Écrire la formule semi-développée de l'acide conjugué.

2.

Nommer deux des groupes caractéristiques (ou fonctions chimiques) de la L-Carnitine.

3.

La L-Carnitine possède un énantiomère, la D-Carnitine.

3.1.

Préciser la relation qui lie deux énantiomères.

3.2.

Nommer la propriété d'une molécule qui a deux énantiomères.

3.3.

Donner la caractéristique de l'atome de carbone qui peut conférer cette propriété à la molécule.

3.4.

La L-Carnitine peut se représenter selon la convention suivante:

Préciser le nom de ce type de représentation.

3.5.

Représenter selon la même convention la D-Carnitine.

4.

Le lait maternisé est le premier lait que l'on peut donner au bébé dès sa naissance jusqu'à ses 4 à 6 mois. L'étiquette d'un lait maternisé indique 1,2 mg de L-Carnitine pour 100 mL de lait reconstitué. Un bébé de 5 mois boit environ 4 biberons de 200 mL.

4.1.

Calculer la masse $m$ de L-Carnitine que ce bébé ingère chaque jour.

4.2.

À 8 mois, l'alimentation du bébé se diversifie, il commence à manger des légumes et de la viande qui contient également de la L-Carnitine: 10 g de steak haché en contient 9,3 mg. Comparer la proportion en masse de L-Carnitine dans la viande et dans le lait maternisé.

Donnée

On peut considérer que la masse volumique du lait maternisé est: $\rho = 1{,}0\text{ g}\cdot\text{mL}^{-1}$.

Partie 1A: Dépistage prénatal de la trisomie 21

En France, le dépistage prénatal de la trisomie 21 est proposé à toutes les femmes enceintes. Il consiste, au cours du premier trimestre de la grossesse, en un dosage de protéines appelées marqueurs sériques associé à la mesure de la clarté nucale du fœtus. À l'issue de ce dépistage, si le risque est trop élevé, une vérification du caryotype fœtal sera réalisée par amniocentèse.

Madame X., âgée de 38 ans, est enceinte. Sa grossesse a été évaluée à 13 semaines d' aménorrhées. Son gynécologue, pour écarter tout risque de trisomie 21, lui prescrit: un dosage de l'hormone gonadotrophique chorionique (β-hCG) et de la protéine plasmatique associée à la grossesse (PaPP-A), qui sont deux marqueurs sériques;

une mesure de la clarté nucale sous échographie.

1A.1.

Proposer une définition des cinq termes en caractères gras.

Les résultats de madame X. sont rassemblés dans le tableau ci-dessous:

β-hCG · PaPP-A · Clarté nucale

2,3 UA* · 0,5 UA* · 4 mm

*UA = unités arbitraires

PARTIE 1A - Document 1: Les différents paramètres utilisés dans le dépistage de la trisomie 21

Document 1A: Probabilité de concevoir un enfant atteint de trisomie 21 en fonction de l'âge de la femme

Document 1B: Interprétation de deux marqueurs sériques chez la femme enceinte

Marqueurs sériques · Valeurs de référence: absence de trisomie 21 (UA*) · Femme porteuse d'un enfant atteint de trisomie 21

β-hCG · 1,0 · Valeur supérieure à la valeur de référence

PaPP-A · 1,0 · Valeur inférieure à la valeur de référence

*UA = unité arbitraire

Document 1C: Évolution de la clarté nucale en fonction des semaines d'aménorrhée

1A.2.

Déduire des résultats de madame X. et du document 1, le risque, pour son enfant à naître, d'être atteint de trisomie 21.

Au vu des résultats de madame X., le gynécologue lui propose de réaliser une amniocentèse sous contrôle échographique afin de vérifier le caryotype de son fœtus. Le document 2 présente ce caryotype.

1A.3.

Présenter le principe de l'échographie et son intérêt dans le cadre de l'amniocentèse.

Les chromosomes visibles sur le caryotype sont constitués d'ADN. Le document 3 schématise l'organisation d'un chromosome.

PARTIE 1A - Document 3: Schéma de l'organisation du matériel génétique

1A.4.

1A.5.

Reporter les annotations correspondant aux repères 1 à 5 du document 3:

La molécule d'ADN est dite bicaténaire et hélicoïdale.

1A.6.

Justifier cette affirmation.

Les chromosomes n'ont pas toujours le même aspect au cours des quatre phases (G1, S, G2 et M) du cycle cellulaire. Le document ci-dessous présente l'évolution de: la quantité d'ADN dans une cellule au cours du cycle cellulaire;

l'aspect d'une molécule d'ADN.

1A.7.

Analyser les variations de la quantité d'ADN au cours du cycle cellulaire.

La compaction de l'ADN varie au cours du cycle cellulaire.

1A.8.

Décrire l'aspect de l'ADN au cours du cycle cellulaire.

PARTIE 1A - Document 2: Caryotype du fœtus de madame X.

1A.9.

1A.10.

Présenter l'analyse du caryotype du fœtus présenté par le document 2:

Nombre d'autosomes · Nombre de gonosomes · Formule chromosomique · Sexe du fœtus · Conclusion

Partie 1B: Trisomie 21 et leucémie

La leucémie est un cancer des cellules de la moelle osseuse, plus précisément des cellules souches à l'origine des éléments figurés du sang.

Les éléments figurés du sang (EFS) sont les hématies, les leucocytes et les thrombocytes. Les hématies sont des cellules anucléées qui permettent le transport du dioxygène et du dioxyde de carbone. Les leucocytes sont des cellules nucléées qui interviennent dans l'immunité. Les thrombocytes sont des fragments cellulaires qui interviennent dans l'hémostase, c'est-à-dire dans l'arrêt d'un saignement.

1B.1.

Proposer une définition des deux termes en caractères gras.

1B.2.

Expliquer, à l'aide du texte d'introduction, pourquoi l'expression « éléments figurés du sang » est préférée à l'expression « cellules sanguines ».

Le tissu sanguin appartient à la catégorie des tissus conjonctifs.

1B.3.

Montrer que le tissu sanguin est un tissu conjonctif à l'aide du document 4A.

1B.4.

Comparer les deux microphotographies du document 4 afin d'en déduire la conséquence de la leucémie sur l'évolution du nombre de leucocytes.

Pour traiter la leucémie, les oncologues utilisent deux techniques: la chimiothérapie et la greffe de moelle osseuse. Le document 5 présente une microphotographie d'un frottis sanguin d'un individu après plusieurs séances de chimiothérapie. Ce traitement peut entraîner différents effets secondaires indésirables comme une diminution importante du nombre de certains éléments figurés du sang, une asthénie et un risque de contracter des infections.

1B.5.

Proposer une définition du terme asthénie et indiquer le terme médical correspondant à l'expression soulignée.

1B.6.

Présenter le principe de la chimiothérapie anticancéreuse.

1B.7.

Rappeler le rôle des hématies et établir, à l'aide du document 5, le lien entre la chimiothérapie et l'asthénie.

Certains des médicaments anticancéreux utilisés en hématologie présentent une toxicité vis-à-vis du rein et peuvent conduire à l'insuffisance rénale. Parmi eux, figurent notamment le cisplatine et des antifolates tels que le méthotrexate.

Le document 6 schématise l'organisation d'un rein et de sa vascularisation.

1B.8.

Reporter les annotations correspondant aux repères 1 à 6 du document 6:

Repère 1:

Repère 2:

Repère 3:

Repère 4:

Repère 5:

Repère 6:

Pour évaluer le degré de gravité de l'insuffisance rénale chronique, le débit de filtration glomérulaire (DFG) est mesuré. Le DFG est le volume de liquide filtré par les reins par unité de temps.

Cinq stades ont été définis dans la progression de l'insuffisance rénale chronique (IRC).

Stade de l'insuffisance rénale chronique (IRC)

Définitions

DFG (mL.min⁻¹)

1

Pas d'insuffisance rénale

≥ 90

2

Insuffisance rénale légère

60 - 90

3

Insuffisance rénale modérée

30 - 59

4

Insuffisance rénale sévère

15 - 29

5

Insuffisance rénale terminale

< 15

1B.9.

Expliquer le principe de la filtration glomérulaire.

Au stade 5 de l'insuffisance rénale chronique, il y a une nécessité de transplantation rénale.

1B.10.

Justifier, d'après le document ci-dessus, la nécessité de la transplantation.

Le candidat traite obligatoirement la partie 2.

Partie 2: Trisomie 21 et diabète

On considère que 1 à 2 % des personnes porteuses de la trisomie 21 souffrent d'une forme de diabète, rare et héréditaire. Le document 7 présente l'arbre généalogique d'une famille touchée par ce type de diabète.

2.1.

Déterminer si l'allèle responsable de la maladie est dominant ou récessif. Justifier la réponse.

2.2.

Déterminer si le gène est porté par un autosome ou un gonosome. Justifier la réponse.

2.3.

Écrire le génotype des parents II1 et II2, ainsi que celui de leurs enfants.

Le couple II1-II2 souhaite avoir un quatrième enfant.

2.4.

Indiquer, à l'aide d'un échiquier de croisement, la probabilité pour ce couple d'avoir un enfant sain.

Le candidat traite obligatoirement la partie 2.

Partie 2: Trisomie 21 et diabète

On considère que 1 à 2 % des personnes porteuses de la trisomie 21 souffrent d'une forme de diabète, rare et héréditaire. Le document 7 présente l'arbre généalogique d'une famille touchée par ce type de diabète.

Dans cette forme rare de diabète, le gène codant l'insuline est muté. L'insuline est une hormone hypoglycémiante sécrétée par les cellules $\beta$ des îlots de Langerhans du pancréas.

2.5.

Construire un schéma présentant les organes et les mécanismes de la régulation de la glycémie par l'insuline. Ce schéma doit faire apparaître:

les organes suivants: foie, pancréas, muscles;

le tissu adipeux;

les formes de stockage du glucose;

le nom des réactions chimiques permettant le stockage du glucose;

l'effet sur la glycémie.

Un individu atteint de diabète présente différents signes cliniques et paracliniques parmi lesquels une hyperglycémie, une présence de glucose dans les urines et une diurèse trop importante.

2.10.

Présenter le lien entre l'hyperglycémie et la présence de glucose dans les urines.

Le candidat traite obligatoirement la partie 2.

Partie 2: Trisomie 21 et diabète

On considère que 1 à 2 % des personnes porteuses de la trisomie 21 souffrent d'une forme de diabète, rare et héréditaire. Le document 7 présente l'arbre généalogique d'une famille touchée par ce type de diabète.

Les séquences nucléotidiques ci-dessous représentent un fragment du gène de l'insuline chez un individu diabétique et chez un individu non diabétique (individu de référence).

Individu diabétique 1 18

Brin transcrit: --- CTTGCACCGGAAAAGATG ---

Individu non diabétique 1 18

Brin transcrit: --- CTTGCACCGAAAAAGATG ---

2.6.

Comparer les deux séquences nucléotidiques afin de décrire la mutation.

2.7.

Donner la séquence peptidique correspondant aux deux fragments d'ADN à l'aide du tableau du code génétique présenté dans le document 8. Expliquer la démarche.

Document 8: Tableau du code génétique

2.8.

Comparer les séquences peptidiques obtenues et en déduire pourquoi les patients atteints par cette forme de diabète héréditaire présentent une hyperglycémie.

Le candidat traite obligatoirement la partie 2.

Partie 2: Trisomie 21 et diabète

On considère que 1 à 2 % des personnes porteuses de la trisomie 21 souffrent d'une forme de diabète, rare et héréditaire. Le document 7 présente l'arbre généalogique d'une famille touchée par ce type de diabète.

Un individu atteint de diabète présente différents signes cliniques et paracliniques parmi lesquels une hyperglycémie, une présence de glucose dans les urines et une diurèse trop importante.

2.9.

Indiquer le terme médical correspondant à chacune des deux expressions soulignées.

Le candidat traite obligatoirement la partie 2.

Partie 2: Trisomie 21 et diabète

On considère que 1 à 2 % des personnes porteuses de la trisomie 21 souffrent d'une forme de diabète, rare et héréditaire. Le document 7 présente l'arbre généalogique d'une famille touchée par ce type de diabète.

À long terme, le diabète augmente le risque de développer de l'athérosclérose. L'angiographie est une technique d'imagerie médicale qui permet alors de mettre en évidence l'obstruction d'une artère par une plaque d'athérome. Le document 9 est le résultat d'une angiographie.

PARTIE 2 - Document 9: Angiographie

2.11.

Présenter le principe de l'angiographie.

Le candidat réalise obligatoirement la synthèse.

SYNTHÈSE

Expliquer à l'aide d'un texte court, d'une carte mentale, d'un schéma ou d'un tableau, la cause, le dépistage, le diagnostic et les complications potentielles de la trisomie 21.

Le candidat effectue la synthèse à partir des éléments de la partie 1 qu'il a traitée et de la partie 2.