La conception des élèves sur le concept de la respiration chez l’Homme

Les mitochondries

                 La mitochondrie est une structure spécialisée de la cellule, appelée organite. On la trouve dans les cellules végétales et animales. On peut remarquer qu’elles 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 l’Homme 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 : L’origine des mitochondries s’explique par la théorie de l’endosymbiose 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 suppose qu’elle s’est produite une unique fois. Les mitochondries sont constituées d’une double membrane et ont leur propre ADN.

Ces deux indices ont abouti à l’hypothèse de l’endosymbiose primaire. ancêtre des mitochondries noyau cellule eucaryote primitive bactérie aérobie cellule eucaryote hétérotrophe mitochondrial chez les mitochondries. La membrane externe est d’origine cellulaire et la membrane interne d’origine bactérienne. 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 externe d’un caractère perméable important. D’autres protéines associées à la membrane externe ont un rôle primordial, particulièrement, les enzymes du métabolisme de dégradation (catabolisme), telle l’acyl-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, des protéines intervenant dans la respiration cellulaire sont retenues. Il s’agit du cytochrome c 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. 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 des invaginations vers l’intérieur de la mitochondrie appelées crêtes mitochondriales. La base d’une crête est un lieu d’échanges entre l’espace intermembranaire et l’espace matriciel. Ces invaginations de la membrane interne permettent d’augmenter la surface d’échanges. 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 d’oxydation impliquées dans 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. L’espace matriciel est composé de tous les éléments nécessaires à la réplication, la transcription et la traduction du matériel génétique mitochondrial : des ARNm, ARNt, ARNr, des enzymes, des ribosomes… La matrice est le lieu de production de l’acétyl-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.
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 intégrante dans le métabolisme du fait qu’un grand nombre de biomolécules sont dégradées ou synthétisées dans la matrice mitochondriale. Deuxièmement, elle produit l’ATP, principale forme de réserve et de distribution d’énergie dans la cellule. L’obtention de l’énergie implique le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire s’achevant par la phosphorylation oxydative qui transforme l’ADP en ATP. Troisièmement, l’organite est impliqué dans l’homéostasie 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 puisqu’elle peut déclencher l’apoptose, appelé plus communément la mort cellulaire programmée. Ces deux derniers points ne seront pas développés dans la suite de l’exposé car ils n’ont pas de relation avec la respiration cellulaire.

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. L’organite mitochondrial possède plusieurs chaînes respiratoires qui peuvent fonctionner en parallèle. Le rôle primordial de la chaîne respiratoire est la production d’ATP, 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. La réoxydation impose d’être en condition aérobie car l’accepteur final des électrons est l’O2. L’énergie est produite grâce à la formation d’un gradient de protons dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie, lui-même issu de l’énergie des électrons émis lors de l’oxydation de NADH,H+ et FADH2 (deux  transporteurs spécialisés d’électrons). La chaîne respiratoire est donc une chaîne de transport d’électrons. Tous les complexes de la chaîne sont constitués de nombreuses sous unités et sont associés à différents coenzymes d’oxydoréduction. Le complexe I (ou complexe de la NADH déshydrogénase) reçoit le transporteur NADH,H+ formé au cours du cycle de Krebs.

Une flavoprotéine ainsi qu’un ensemble de centres fer soufre (Fe/S) vont permettre au complexe I d’accepter 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 électrons sur l’ubiquinone (coenzyme Q), un transporteur mobile de la chaîne respiratoire, qui les amène au complexe III. L’énergie libérée par le transfert d’électrons permet de transporter quatre à cinq protons de manière active de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire. Le complexe II (ou succinate déhydrogénase) n’est pas transmembranaire contrairement aux autres complexes, il est en forte interaction avec la face matricielle de la membrane interne de la mitochondrie. Ce complexe est l’intermédiaire direct entre le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire.

En effet, lors de la sixième étape du cycle de l’acide citrique, il oxyde le succinate en fumarate. Les électrons arrachés au succinate vont permettre la réduction du coenzyme FAD en FADH2 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 la différence du complexe I, le complexe II n’est pas une pompe à protons car il n’est pas transmembranaire. Le complexe III (ou complexe cytochrome b+c1) accepte les électrons en provenance de l’ubiquinone 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 électrons jusqu’au complexe IV.

Le complexe III permet la libération de 4 protons dans l’espace intermembranaire. 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 a3) et de deux ions cuivre (CuA 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 acceptés dans l’ordre par le CuA, l’hème a puis le centre binucléaire composé de l’hème a3 et du CuB. Après réduction totale du complexe, les électrons sont transférés simultanément sur une molécule de dioxygène. L’un des rôles du complexe IV est de catalyser la réduction de l’oxygène moléculaire en eau. De fait, quatre protons de la matrice mitochondriale sont captés par le complexe IV permettant la réaction donnant deux molécules d’eau : O2 + 4 e- + 4 H+  2 H2O. L’énergie libérée permet de transporter des protons de la matrice à l’espace intermembranaire. Ce mécanisme attribue au complexe le rôle de pompe à protons.

Qu’est-ce qu’une conception ?

              Afin de définir ce terme, nous nous appuierons sur L’Enseignement Scientifique. Comment faire pour que « ça marche »? de GIORDAN et VECCHI. Une conception est un « modèle explicatif sous-jacent » d’après les deux auteurs. Elle est une façon de se représenter le monde qui nous entoure. Bien qu’elle soit parfois erronée, elle apparaît « simple et cohérente ». Les conceptions sont propres à chacun mais nous verrons qu’elles peuvent être communes. Elles se construisent sur l’histoire personnelle et le contexte socioculturel de l’apprenant. Les représentations évoluent avec « le degré de maturation » de l’individu et amènera progressivement à la construction du savoir. Enfant ou adulte, toute personne possède des conceptions, les auteurs parlent de « phénomène général ». Nous avons fait le choix de travailler sur la base du constructivisme. Cette théorie de l’apprentissage initiée par de grands auteurs et pédagogues comme Piaget, vise à prendre en compte les représentations préexistantes de la réalité, qu’en ont les élèves. Le constructivisme admet que l’élève a des connaissances initiales avant que le maître enseigne une notion.

D’après Jacques Legroux, il est primordial de prendre en compte les représentations des élèves car « ces conceptions personnelles interfèrent avec le projet d’apprentissage. ». Les auteurs Giordan et De Vecchi parlent de « conceptions-obstacles ». Ils confirment ce fait en expliquant que « Le maître ne fait que fournir une connaissance « plaquée » qui sera très vite oubliée. » dans le cas où les conceptions sont négligées. Ces interprétation de l’environnement « ont un grand pouvoir de persistance. ». En effet, elles se sont élaborées depuis l’enfance et au travers du vécu. Ces représentations sont modifiées au fur et à mesure des expériences vécues par l’apprenant mais certaines sont tenaces. L’enseignant aura un rôle puisqu’il tentera de modifier les conceptions des élèves erronées. Bachelard précise : « Il s’agit alors, non pas d’acquérir une culture mais bien de changer de culture ». Afin de les transformer, il sera indispensable de les « faire se confronter à la réalité » pour que l’apprenant effectue un « travail intellectuel critique et de « désorganisation ». » . Une démarche constructiviste se traduit par la construction de « situation didactique, conçue de telle manière qu’elle amène l’élève à franchir un obstacle analysé ».

Cette opération permet une transformation des conceptions. Enfin nous noterons que l’enseignant possède également des représentations. Il doit donc être prudent lors de la réalisation des séances pour ne pas transmettre ses propres interprétations du monde aux élèves qui pourraient être erronées. Dans l’ouvrage, L’Enseignement Scientifique. Comment faire pour que « ça marche »?, les auteurs expliquent qu’« en construisant « sa leçon », on est obligé de confronter ses représentations à ce que l’on recherche ». Le choix des supports est autant important car Giordan et De Vecchi nous signalent que l’« on rencontre des interprétations pédagogiques […] qui sont le reflet même des représentations de ceux qui les écrivent. ».

La modélisation

                   Nous nous sommes appuyés sur Un projet pour…faire vivre des démarches expérimentales de Jean Yves CARIOU. Dans son ouvrage il définit l’utilité des expériences en classe et les différents types d’expériences existants. L’auteur distingue quatre approches pour aborder l’expérimental en classe : faire des expériences devant les élèves, faire faire des expériences aux élèves, mener une investigation expérimentale et faire vivre une démarche expérimentale. Nous choisissons de mettre en place le « faire faire aux élèves » en classe. Cette pratique relève plus de la manipulation car les élèves suivent un protocole donné par l’enseignant. Selon l’auteur, « les élèves n’ont pas conçu eux-mêmes ce qu’ils font, on ne peut vraiment parler d’expériences ». Gérard De Vecchi dans Enseigner l’expérimental en classe oppose également manipulation et expérience. Il définit la démarche expérimentale où l’élève est acteur. Nous n’avons pas fait le choix de pratiquer la démarche expérimentale dans son ensemble car cette méthode est assez lourde à mettre en place. La manipulation que nous utilisons avec les élèves permet tout de même de pratiquer l’apprentissage par problématisation. Notre but est que les élèves se posent des questions et remettent en cause leur représentation.

Les textes officiels demande d’aborder la modélisation dans le thème de la respiration. Ils indiquent « Modéliser les mouvements respiratoires »16 et notamment le rôle du diaphragme. Pour cette raison, nous avons choisi de représenter le système respiratoire par un modèle. Eric Sanchez en donne une définition, « Un modèle est en effet un système de symbolisation qui permet de se représenter un phénomène et l’étape qui consiste à aider l’élève à construire ce système de représentation apparaît comme une étape clef.»17. En effet, la modélisation permet de visualiser un mécanisme qui n’est pas observable directement, pour Guichard (1994), « Dans le cadre scolaire, le problème principal est de se représenter le système ». L’enseignant doit donc mettre en place des stratégies pour parvenir à faire comprendre le fonctionnement, il va ainsi proposer des modèles analogiques comme nous le présenterons ultérieurement.

La construction du modèle et son utilisation vont permettre à l’élève une réflexion, l’appareil va aider à penser et d’après Larcher (1994) il va « constituer des outils pour comprendre et des aides à la conceptualisation »18. C’est en se servant du mécanisme que l’élève va pouvoir exprimer ses conceptions, il est donc important de laisser place au dialogue après la construction. Les élèves vont pouvoir confronter leur représentation avec cet outil et ainsi certains modifierons leurs idées sur le sujet étudié.

Conclusion

            Ce travail de recherche m’a permis de voir les liens entre le monde scientifique et l’école. La transposition didactique suppose une connaissance des savoirs scientifiques de la part de l’enseignant. J’ai pris conscience de la nécessité de prendre en compte les conceptions des élèves mais également de ne pas négliger les miennes afin d’être consciente qu’elles peuvent interférer dans les apprentissages des élèves. La séquence qui transpose les savoirs scientifiques s’inscrit dans un cadre que l’enseignant aura prédéfini. J’ai choisi le constructivisme et la modélisation. J’ai pu voir que le choix des supports a une importance car certains seront plus parlants que d’autres pour les élèves. Je peux dire qu’une démarche ludique permet de motiver les élèves et de les intéresser davantage. Lors de la construction de la méthode de recueil de données j’ai identifié qu’elle est liée au cadre théorique.

En effet les choix réalisés pour le recueil sont en accord avec le cadre. J’ai réalisé le recueil de données ; puis j’ai enrichi ce travail par une analyse des données. La pratique en classe m’a permis de mettre en évidence les limites du recueil car toutes mes attentes n’ont pas été comblées. Par l’analyse, j’ai pu me rendre compte de ce que les élèves avaient intégré du concept mais également j’ai pu voir l’évolution de leurs représentations. La séquence réalisé aurait pu être retravaillée après cette analyse afin de se centrer encore plus sur l’élève afin de construire cette séquence du début jusqu’à la fin avec la classe. Je mettrais donc en place une démarche d’investigation mais le temps imparti ne me le permet pas.

Table des matières

Introduction
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. La respiration à l’école
1) Les instructions officielles
2) Dans les classes
Partie 2 : Le cadre théorique
I. Les conceptions
1) Qu’est-ce qu’une conception ?
2) Comment faire émerger les représentations des élèves ?
3) En quoi peuvent-elles être un tremplin dans les apprentissages ?
II. La modélisation
Partie 3 : La méthodologie de recherche
I. Présentation du lieu de recueil
II. Les choix didactiques
1) Objectifs de recherche et d’apprentissage
2) La séquence
III. La méthode d’analyse du recueil
1) Le recueil
2) La méthode
Partie 4 : L’analyse du recueil de données
I. Analyse des dessins
II. La modélisation du diaphragme
III. Expérience de l’eau de chaux
Conclusion
Bibliographie et sitographie
Annexes

Télécharger le rapport complet