Bac 2016 : STL Cbsc - Spcl

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16CBSVMLR1

16SPCLMLR1

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BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

Srie : Sciences et Technologies de Laboratoire

Spcialits :- Biotechnologies- Sciences physiques et chimiques

en laboratoire

SESSION 2016

Sous-preuve crite deChimie biochimie sciences du vivant

LUNDI 20 JUIN 2016

Coefficient de cette sous-preuve : 4

Ce sujet est prvu pour tre trait en deux heures.

Les sujets de CBSV et de spcialit seront traitssur des copies spares.

Lusage de la calculatrice est autoris.

Ce sujet comporte 9 pages.

Partie 1 : pages 2 4Partie 2 : pages 5 9

Les 2 parties sont indpendantes.

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Partie I : les digesteurs de boues (8 points)

Lexcdent des boues issues des stations dpuration peut tre limin dans des digesteursde boues.

Lobjectif de cette tude est de comprendre comment certaines voies mtaboliquesdorganismes vivants sont exploites par ltre humain pour valoriser les bouesexcdentaires des stations dpuration.

Le document Amontre un des microorganismes prsents dans un digesteur de boues.

1.1. Dterminer le moyen dobservation qui a permis dobtenir la photographie dudocument A, en argumentant la rponse.

Fonctionnement des digesteurs de boues

1.2. partir du document B, construire le schma reprsentant la chane trophique dundigesteur de boues correspondant aux trois tapes du fonctionnement. Pour chaquetape prciser les groupes de microorganismes responsables et les molculesproduites.

tude dune voie de mthanogense

La plupart des mthanognes sont des organismes hydrognotrophes qui produisent dumthane par rduction du dioxyde de carbone en prsence de dihydrogne comme agentrducteur. La voie mtabolique simplifie de cette mthanogense est prsente dans ledocument C.

1.3. Aprs avoir recopi sur la copie les molcules A, B et C du document C, entourerles groupes caractristiques et identifier les fonctions chimiques correspondantespour chacune des molcules.

1.4. Chacune de ces quatre tapes est une rduction. Argumenter cette affirmation dansle cas de ltape 2.

1.5. tablir lquation de la raction doxydorduction de ltape 1 entre le dioxyde decarbone et le dihydrogne.

On donne les couples :CO2/ HCO2HH+/ H2

1.6. Donner la condition ncessaire sur lenthalpie libre apparente de raction rG pourque cette raction soit favorise dans les conditions biologiques (pH = 7 et 37C).

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Document A : exemple de microorganisme mthanogne : Methanopy rus k andler i

Moyen dobservation il humainMicroscopephotonique

Microscopelectronique transmission

Pouvoir de rsolution 0,2 mm 0,2 m 2 nm

Document B : fonctionnement des digesteurs de boues

Un digesteur de boues dsigne une enceinte hermtique dans laquelle desmicroorganismes anarobies vont salimenter des matires organiques contenues dansles boues.

On peut schmatiquement distinguer trois tapes dans le fonctionnement dun digesteurde boues. Chaque tape est ralise par un groupe diffrent de microorganismes enl'absence de dioxygne. Agissant en interaction et de faon complmentaire d'un pointde vue mtabolique, ces diffrents microorganismes forment une vritable chanetrophique en anarobiose.

Dans un premier temps, les matires organiques complexes contenues dans les bouessubissent des fermentations assures par des microorganismes fermentaires. Cesfermentations librent notamment une grande varit d'acides organiques et d'alcools.Dans un second temps, le groupe des microorganismes actognes permet latransformation des divers composs issus de la phase prcdente en prcurseursdirects du mthane : lacide actique CH3COOH, le dioxyde de carbone CO2 et ledihydrogne H2.Les microorganismes mthanognes assurent la troisime et dernire tape de ladigestion des boues qui aboutit la production de mthane CH4gaz combustible utilispar ltre humain comme source dnergie. Il existe deux voies possibles demthanogense :

lune partir du dihydrogne H2et du dioxyde de carbone CO2 l'autre partir de lacide actique CH3COOH.

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Document C : voie mtabolique simplifie de la mthanogense par rduction du CO2

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Partie 2 : tude dun traitement enzymatique du glaucome (12 points)

Le glaucome est une pathologie qui touche lil. Il se manifeste par une dgnrescenceprogressive du nerf optique pouvant aller jusqu la ccit. Lun des signes de la maladie

est une augmentation de la pression de lhumeur aqueuse de lil (appele aussi pressionintraoculaire), ce qui entrane la destruction du nerf optique par compression.

On cherche comprendre une voie de traitement dune forme de glaucome.

Le document D prsente lhumeur aqueuse et son renouvellement.Le document E est une coupe transversale de la partie antrieure de lil.

2.1. mettre deux hypothses permettant dexpliquer laugmentation de la pressionintraoculaire, responsable de lapparition dun glaucome.

Origine gntique dune forme de glaucome

La myociline est une protine prsente au niveau du trabculum. Des mutations dans legne codant la myociline sont associes une pression intraoculaire leve et audveloppement dune certaine forme de glaucome. La myociline code par lallle mutperturbe le fonctionnement du trabculum (document F).

2.2. laide des connaissances et du tableau du code gntique fourni en annexe,donner les deux chanes polypeptidiques correspondant respectivement auxsquences de lallle de rfrence et de lallle mut du gne.

2.3. Formuler une hypothse sur une des consquences possibles de la mutation sur lastructure de la chane polypeptidique de myociline.

2.4. Proposer une explication au fait que la myociline mute intervient danslaugmentation de la pression intraoculaire.

2.5. Conclure sur la rgion de lil implique dans laugmentation de la pressionintraoculaire pour cette forme de glaucome.

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Une voie de traitement du glaucome

Pour limiter lvolution de cette pathologie, un traitement est possible en utilisant unemolcule qui inhibe laction de lanhydrase carbonique, lenzyme responsable de lasynthse de lacide carbonique. Celle-ci catalyse la raction suivante :

CO2+ H2O H2CO3

Lacide carbonique (H2CO3), produit au cours de cette raction, se dissocie en milieuaqueux pour donner lion hydrognocarbonate (HCO3

).

2.6. crire lquation de la raction acide-base entre lacide carbonique et leau.

Lactivit de lanhydrase carbonique aboutit lapparition dions hydrognocarbonate danslhumeur aqueuse.La scrtion de lhumeur aqueuse met en jeu des phnomnes osmotiques : des changes

de matire entre le plasma et lhumeur aqueuse se font au travers dune barrire semi-permable.

2.7. Interprter les observations exprimentales donnes dans le document G relatif une modlisation simple des phnomnes osmotiques.

2.8. Mettre en lien la production dions hydrognocarbonate dans lhumeur aqueuse et levolume de celle-ci.

Le dorzolamide est un inhibiteur de lanhydrase carbonique utilis pour limiter la pressionintraoculaire. Le document Hprsente le mode daction de cet inhibiteur sur lenzyme.

2.9. Indiquer leffet de linhibiteur sur lactivit catalytique de lanhydrase carbonique.

2.10. Expliquer en quoi laction du dorzolamide provoque une baisse de la pressionintraoculaire.

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Document D : lhumeur aqueuse et son renouvellement

Lhumeur aqueuse est un milieu aqueux transparent situ dans la partie antrieure de lil.Elle est indispensable pour assurer une bonne vision. Le renouvellement de lhumeuraqueuse est assur par deux processus : une scrtion partir du plasma sanguin par les

corps ciliaires, et une limination par le trabculum.La pression intraoculaire dpend du volume de lhumeur aqueuse situe entre le cristallinet la corne.

Document E : coupe transversale de la partie antrieure de lil

Document F : portion des squences des brins transcrits de lallle de rfrence et delallle mut du gne codant la myociline

Allle de rfrence CCCATAGTGCCTGTTAAAGGGATG

Allle mut CCCATAGTGCCTATTAAAGGGATG

1092

2015

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Document G : exprience mettant en vidence le principe de losmose

Ci: concentration en solut SC2 < C3 < C1

Le volume total de solution dans le tube en U est constant.

Document H : mode daction du dorzolamide sur lanhydrase carboniqueDaprs : Campbell,Biology : Concepts and Connections (7edition)

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Annexe : tableau du code gntique

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BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

Srie : Sciences et Technologies de Laboratoire

Spcialit : Sciences Physiques et Chimiques enLaboratoire

SESSION 2016

LUNDI 20 JUIN 2016

Sous-preuve crite de sciences physiques etchimiques en laboratoire

Coefficient de la sous-preuve : 4

Ce sujet est prvu pour tre trait en deux heures.

Les sujets de CBSV et de sciences physiques et chimiques enlaboratoire seront traits sur des copies spares.

Lusage de la calculatrice est autoris.

Ce sujet comporte9 pages.

La page 9 est rendre avec la copie.

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Traverse de lAtlantique la voile

Un navigateur dcide d'entreprendre la traverse de lAtlantique en solitaire bord dun bateau voiles. Au cours de cette aventure, il a besoin de connatre avec prcision sa position. Pour cela, lebateau est quip dun rcepteur GPS (Global Positioning System). Le navigateur est aussi amen utiliser un pilote automatique pour pouvoir se reposer

Le principe de fonctionnement du GPS et son alimentation lectrique ainsi que les caractristiquesdu pilote automatique sont abords dans ce sujet.

Les trois parties sont indpendantes.

PARTIE 1 :UTILISATION DUN RECEPTEUR GPSPOUR SE REPERER EN MER (5POINTS)

PARTIE 2:ALIMENTATION DUN RECEPTEUR GPSPAR UNE PILE AU LITHIUM (11POINTS)

PARTIE 3:UTILISATION DU PILOTE AUTOMATIQUE (4POINTS)

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PARTIE 1 : Utilisation dun rcepteur GPS pour se reprer en mer (5 points)

Donne : la clrit des ondes mises par les satellites au cours de leur trajet estc = 3,00108ms1.

1.1. Le systme GPS

1.1.1. Donner la relation liant la frquence f, la longueur donde (dans le vide) et la clrit cdune onde lectromagntique.

1.1.2. laide des documents 1 et 2, en dduire dans quel domaine se situent les ondesutilises dans un systme GPS.

1.1.3. Expliquer pourquoi il nest pas envisageable dutiliser des ondes sonores la place desondes lectromagntiques.

1.2. La prcision du GPS

Londe mise par le satellite GPS se propage jusquau rcepteur embarqu dans le bateau. Ladure des trajets entre diffrents satellites et le rcepteur doit tre mesure avec une grandeprcision. partir de ces mesures, on peut estimer la position du bateau mais il faut tenir comptedes sources derreur prsentes dans le document 3.

1.2.1. Expliquer en quelques mots pourquoi le rcepteur doit capter les ondes mises par lemaximum de satellites.

1.2.2. laide du document 3, indiquer quel phnomne physique sapparente la modificationde la direction de propagation des ondes la traverse de lionosphre.

1.3. La vitesse du bateau

La vitesse du bateau peut tre dtermine par effet Doppler : lorsque le satellite et le bateau serapprochent, la priode temporelle du signal reu est infrieure celle de la source et inversement.

La frquence freuedu signal reu par le rcepteur est infrieure de 31,5 kHz celle de la frquencef1mise par le satellite.Indiquer si le satellite et le bateau sloignent ou se rapprochent lun de lautre. Justifier la rponse.

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PARTIE 2 : Alimentation dun rcepteur GPS par une pile au lithium (11 points)

Le systme de localisation GPS embarqu sur le bateau doit tre aliment par une tension leve. Lapile utilise ici est une pile au lithium-chlorure de thionyle (Li-SOC2) ou pile LTC.Le document 4 regroupe des donnes relatives diffrents matriaux utiliss dans la conception depiles.

Donnes physicochimiques :

Constante de Faraday (charge dune mole dlectrons) : F = 9,65104Cmol1

Charge lmentaire : e = 1,61019CMasse molaire du lithium : MLi= 6,90 gmol

1Constante du gaz parfait : R = 8,314 Jmol1K1Conversion dunit de temprature : T(K) = (C) + 273,15Potentiel standard dlectrode du couple Li+/Li par rapport lESH : V3,04E

/LiLi

Rappel : 25 C, RT

ln = 0,059 log F

x x

2.1. Informations sur les piles au lithium partir du document 4, expliquer pourquoi le lithium (associ une lectrode de potentiel positif) estle matriau le mieux adapt la conception dune pile utilise pour lalimentation du rcepteur GPS.Trois arguments sont attendus.

2.2. Fonctionnement d'une pile au lithium

La pile LTC utilise ici est constitue :dune lectrode de lithium mtal,dune lectrode constitue de carbone poreux rempli de chlorure de thionyle (SOC2) et de

ttrachloroaluminate de lithium LiAC4(avec [][Li+] = 0,010 molL1).

2.2.1. Llectrode de lithium prsente un potentiel ELi= 3,16 V ( 25 C).crire la demi-quation lectronique pour le couple Li+/Li. crire lexpression littrale dupotentiel ELi laide de la relation de Nernst, et retrouver la valeur donne ci-dessus.

Lors du fonctionnement de la pile, llectrode de carbone est le sige de la raction lectrochimiquedont lquation est : 2 SOC2+ 4 e

4 C+ SO2 + S.Dans les conditions dutilisation de la pile, llectrode de carbone adopte un potentiel Ecarbone= + 0,65 V.

2.2.2. Calculer la force lectromotrice de la pile dans ces conditions de fonctionnement.

2.2.3. crire l'quation d'oxydorduction de fonctionnement de la pile.

2.2.4. Indiquer quelle lectrode constitue lanode et quelle lectrode constitue la cathode. Justifier larponse.

2.3. Dure de fonctionnement du rcepteur GPS

Le navigateur estime que sa traverse de lAtlantique durera au moins 22 jours. Il cherche donc dterminer lautonomie des piles au lithium.On considre que le rcepteur GPS est aliment par une pile contenant une masse m = 1,20 g delithium mtallique.

2.3.1. Le lithium est le ractif limitant lors du fonctionnement de la pile. En dduire que la chargelectrique ou quantit d'lectricit Q dbite par la pile une fois que tout le lithium aura t

consomm vaut Q = 1,68104

C.2.3.2. Sachant que l'intensit Ifournie au rcepteur GPS vaut I= 10,00 mA, vrifier quil prsente une

autonomie = 19,4 jours.

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Lincertitude Usur lautonomie peut tre calcule laide de lexpression suivante :22

Li

m U

m

UULi

I

I

2.3.3. Sachant que Lim 2

Li

U2,5 10

met que 2102,0

U I

I , en dduire que lincertitude sur lautonomie

peut tre calcule de faon simplifie laide de lexpression suivante :Li

m

m

UULi

.

2.3.4. crire la valeur de lautonomie sous la forme : estime= U.

2.3.5. Indiquer si lautonomie du rcepteur GPS parait suffisante. Argumenter la rponse.

PARTIE 3 : Utilisation du pilote automatique (4 points)

Lorsque le navigateur active le pilote automatique, le bateau peut tre considr comme un systmergul, dont le principe simplifi est dcrit dans le document 5. Cette partie a pour objectif lavrification du bon fonctionnement du capteur dangle et lvaluation des performances du piloteautomatique.

3.1. Vrification du capteur d'angle

Le navigateur trouve que son pilote n'est plus aussi efficace qu'auparavant. Il pense que le capteur-transmetteur d'angle est drgl. Pour vrifier son hypothse il mesure lintensit du signal fourni par lecapteur-transmetteur. Cette intensit a pour valeur I= 18,0 mA lorsque langle vaut 10 .

laide du document 6, rpondre aux questions suivantes.( )

3.1.1. Prciser quel type de filtre pourrait tre utilis pour liminer les signaux parasites, en justifiantrapidement la rponse.

3.1.2. Indiquer si les soupons du navigateur sont justifis. Expliquer le raisonnement.

3.2. valuation des performances du pilote automatiqueLe temps de rponse 5 % dun systme est la dure mise par la valeur de la grandeur de sortie pourrester constamment entre 95 % et 105 % de sa valeur finale. laide du document 7et du document rponse, rpondre aux questions suivantes.( )

3.2.1. Dterminer graphiquement le temps de rponse 5 % du systme. Joindre la copie ledocument rponse complt.

3.2.2. Commenter ce rsultat en comparant les performances du pilote automatique celles dunnavigateur moyennement expriment.

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Document 1 : Principe du GPS

Le systme GPS est constitu dune constellation de 24satellites situs dans le vide spatial 20184 km. Ces satellitesmettent des ondes lectromagntiques qui se propagent lavitesse de la lumire. Les frquences des ondeslectromagntiques utilises dans le systme GPS sont :

f1= 1575,42 MHzf2= 1227,60 MHz

Il est possible de dterminer la distance qui spare unrcepteur dun satellite en mesurant la dure du parcours desondes mises par les satellites. Le rcepteur choisit lessatellites les mieux disposs dans le ciel, lui permettant deconnaitre sa position.

Document 2 : Domaines des ondes lectromagntiques

Rayonnementlectromagntique

Gamma X Ultraviolet Visible Infrarouge Radio

Longueurs dondedans le vide

10-15 10-11 m

10-11 10-8m

10-8 410-7m

410-7 810-7m

810-7 10-3m

10-3 103m

Document 3 : Sources derreur du GPS

Pour bnficier dune prcision de lordre de 10 m dans le positionnement, il faut tenir compte :des erreurs de positionnement des satellites,des erreurs de synchronisation : imprcision sur la mesure de dure du parcours des ondes,des erreurs lies la modification de la direction de propagation de londe dans lionosphre (couche

de latmosphre constitue dun gaz ionis appel le plasma). Les ondes mises par les satellitesGPS sont dvies en pntrant dans lionosphre comme lindique la figure ci-dessous (h reprsentelaltitude) :

h

ionosphre

Direction de propagation duneonde lectromagntique

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Document 4 : Caractristiques de quelques matriaux constitutifs dune pile

MatriauCapacit massique(1)

(Ahkg-1)Masse volumique

(gcm-3)

Potentiel standard parrapport lESH(2)

(V)Lithium 3889 0,53 3,04

Aluminium 2980 2,70 1,66Zinc 820 7,14 0,76Cadmium 477 8,65 0,40

(1) Quantit maximale d'lectricit que peut fournir la pile par kilogramme du matriau la constituant. L'ampre-heure (Ah) estune unit de mesure de charge lectrique (1 Ah = 3600 C).

(2) lectrode Standard Hydrogne

Document 5 : Le pilote automatique

Pour aller d'un point un autre, un bateau doit suivre un cap dtermin. Le cap est dfini commel'angle entre la direction du nord magntique et la direction de la route du bateau.

Un bateau est soumis de nombreuses perturbations (courants, vagues, vents) qui ont tendance ledvier de sa route. Garder un cap, c'est dire suivre une ligne droite, est donc une tche difficile quidemande une attention soutenue. Pour pouvoir se reposer ou tre libr pour dautres tches, lenavigateur peut avoir recours un pilote automatique.

Le navigateur indique au pilote automatique le cap suivre.Un compas magntique mesure en permanence le cap suivi par le bateau et transmet la valeur de cettemesure au pilote automatique.Si le bateau suit le cap indiqu, la barre reste immobile et droite.Si le bateau dvie du cap suivre (voir figure ci-dessus), le pilote automatique agit sur la barre. L'angleentre la direction de la barre et celle de l'axe du bateau est alors modifi de manire ramener le

bateau sur le cap suivre.

pilote automatique

barre

cap suivre

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DOCUMENT RPONSE: rendre avec la copie

Question 3.2.1.

Courbe de la rponse du bateau sous pilote automatique une demande de changement de cap

( COMPLTER)

Cap suivi

Cap suivre

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