Exercice 2 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Liban 2023 (jour 1)

Thème : Contraction musculaire et production d'ATP · Tiré du sujet Jour 1 (2023)

Énoncé

EXERCICE 2 - Le mode d'action d'un traitement anti-cancéreux (9 points)

Dans les tissus sains, les divisions cellulaires sont contrôlées. Au contraire, les cellules des tissus cancéreux se divisent de manière anarchique et ininterrompue. Le processus de division cellulaire nécessite de l'énergie.

Le 2DG (2-désoxy-glucose) est une petite molécule utilisée comme traitement anticancéreux. L'un de ses modes d'action se situe au niveau du métabolisme des cellules cancéreuses.

Argumenter l'utilisation de la molécule 2DG dans le traitement de certains cancers.

Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données issues des documents et les connaissances utiles.

Document 1: le métabolisme des cellules non cancéreuses

Document 2: consommation de dioxygène et production de lactate par des cellules cancéreuses et par des cellules non cancéreuses

Afin de caractériser le métabolisme des cellules cancéreuses, des scientifiques ont cultivé in vitro plusieurs types de cellules de souris en division. Ils ont déterminé leur consommation de dioxygène en condition aérobie et leur production de lactate en conditions aérobie et anaérobie.

On précise que les mitochondries restent fonctionnelles dans les cellules cancéreuses étudiées.

Le métabolisme des cellules cancéreuses est le même pour toutes les populations de cellules cancéreuses de cet exercice.

Document 3: la voie métabolique du glucose et du 2DG dans une cellule

Ces voies métaboliques existent chez les cellules non cancéreuses et cancéreuses.

Document 4: la production de lactate et d'ATP par des cellules cancéreuses

Deux lignées cellulaires (HCT116 et LoVo) issues d'une tumeur d'un cancer colorectal 1 sont cultivées 24 heures en absence ou en présence de 2DG (2-desoxy-glucose) à différentes concentrations exprimées en mmol.L -1 (mM). On détermine ensuite leur production de lactate et d'ATP.

1 cancer affectant différentes parties du gros intestin.

Document 4a: l'effet du 2DG sur la production de lactate des 2 lignées

Document 4b: l'effet du 2DG sur la production d'ATP des 2 lignées

Document 5: le 2DG et la multiplication cellulaire

Des cellules d'une lignée cellulaire issues d'une tumeur d'un cancer du sein sont cultivées in vitro en absence de 2DG (2-desoxy-glucose) ou en présence de 12 nmol.L -1 (12 nM) de 2DG.

Pendant les trois jours suivants, on dénombre les cellules en culture. Les barres verticales représentent la dispersion des valeurs.

Document 6: l'activité de l'hexokinase

On mesure in vitro l'activité de l'hexokinase en présence de glucose et d'ATP, dans deux conditions:

condition 1: absence de 2DG6P (2-désoxy-glucose-6-phosphate) dans le milieu;

condition 2: 10 mM de 2DG6P dans le milieu.

Activité de l'enzyme hexokinase

(en UA)

Condition 1

1,1 ± 20%

Condition 2

0,37 ± 20%

D'après W Chen et al., Biochimie, 1992

Énoncé: Exercice 2 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Liban 2023 (jour 1)

Corrigé

Corrigé proposé par AprenAI (non officiel)

Argumenter l'utilisation de la molécule 2DG dans le traitement de certains cancers.

Réponse : Une réponse argumentée structurée comprenant : 1. Le métabolisme particulier des cellules cancéreuses (effet Warburg) : - Les cellules saines en aérobie utilisent principalement la respiration mitochondriale (forte consommation d'O₂, production nulle de lactate, rendement élevé de ~36 mol d'ATP / mol de glucose) (Doc 1 et 2). - Les cellules cancéreuses, même en présence d'O₂ (aérobie), consomment moins de dioxygène ( $7\text{ mm}^3\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{h}^{-1}$ contre $17$ chez les cellules saines) et réalisent une importante fermentation lactique ( $30\text{ mm}^3\cdot\text{mg}^{-1}\cdot\text{h}^{-1}$ de lactate produit contre $0$ chez les cellules saines) (Doc 2). - Pour satisfaire leurs besoins énergétiques élevés dus à une prolifération anarchique et continue, et avec un faible rendement fermentaire (2 ATP/glucose), les cellules cancéreuses présentent une consommation de glucose très accrue et une forte dépendance à la glycolyse. 2. L'action moléculaire du 2DG sur la glycolyse : - Le 2DG entre dans la cellule via les transporteurs membranaires de glucose et est phosphorylé par l'hexokinase en 2DG6P (Doc 3). - Le 2DG6P ne peut pas être pris en charge par la phosphoglucose isomérase pour poursuivre la glycolyse, ce qui bloque la voie en aval (Doc 3). - De plus, le 2DG6P accumulé inhibe l'hexokinase : son activité passe de $1{,}1\text{ UA}$ (sans 2DG6P) à $0{,}37\text{ UA}$ en présence de $10\text{ mM}$ de 2DG6P, soit une diminution de près de 66 % (Doc 6). Cela bloque également l'entrée du glucose dans la glycolyse. 3. Conséquences sur le métabolisme et la survie des cellules cancéreuses : - L'inhibition de la glycolyse par le 2DG entraîne une baisse dose-dépendante de la production de lactate chez les lignées HCT116 et LoVo (réduction de 20 à 45 % dès 5 à 10 mM de 2DG) (Doc 4a). - Elle s'accompagne d'une chute drastique de la production d'ATP (baisse de plus de 50 % à 5 mM et jusqu'à 70 % à 10 mM) (Doc 4b). - Privées d'ATP, les cellules tumorales ne peuvent plus subvenir aux besoins énergétiques de la mitose : la prolifération cellulaire est stoppée et le nombre de cellules cancéreuses diminue au cours du temps en présence de 2DG (baisse de $3\cdot 10^4$ à environ $1\cdot 10^4$ en 3 jours) alors qu'il double sans 2DG (Doc 5). Conclusion : Le 2DG cible la dépendance exacerbée des cellules cancéreuses à la glycolyse. En bloquant cette voie, il prive les cellules tumorales d'ATP, ce qui freine leur prolifération et induit leur mort, justifiant son utilisation comme traitement anticancéreux.

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