Modélisation de la catalyse enzymatique avec le logiciel Edu’modèles

Avec la réforme du lycée et les nouveaux programmes, le numérique prend une place sensiblement nouvelle au coeur de notre enseignement. Il ne s’agit plus seulement d’utiliser le numérique, mais à présent également des s’appuyer sur des capacités plus complexes faisant intervenir par exemple le codage ou la modélisation.

Dans le nouveau programme de spécialité de 1ère (en projet à l’heure où j’écris ces lignes), on peut lire notamment dans la rubrique “le numérique en SVT” : nouvelles compétences numériques chez les élèves : (…) de la modélisation numérique

Toujours dans ce programme, on note le retour de la catalyse enzymatique.

Extrait :

ConnaissancesLes protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule.

CapacitésÉtudier les relations enzyme-substrat au niveau du site actif par un logiciel de modélisation moléculaire

Voici donc une bonne occasion de faire réaliser à nos élèves un modèle de cette catalyse. L’élève sera l’auteur du modèle, il en définira les agents, et les règles.

J’avais déjà réalisé une activité similaire avec l’excellent logiciel “NetBioDyn”, écrit par Pascal Ballet (maître de conférences). Cependant, ce logiciel présente quelques difficultés dans son interface (notamment le peuplement), et après avoir échangé avec M. Ballet (je ne l’en remercierai jamais assez), j’ai décidé d’adapter son logiciel afin de l’intégrer dans l’environnement unifié de modélisation que nous développons dans l’académie (Edu’modèles).

Avec cette nouvelle interface, l’élève peut, avec un minimum de consignes, créer un tel modèle en une trentaine de minutes (en autonomie et avec peu voire pas d’aide).

Dans la vidéo suivante je montre comment procéder pour créer un tel modèle.

Selon le niveau de la classe, et les choix pédagogiques de l’enseignant, il sera possible de guider ou d’aider l’élève (de préférence en différenciant cette aide, c’est à dire en ne la donnant qu’aux élèves en ayant réellement besoin).

L’une des façon de guider l’élève revient à découper l’activité de modélisation en 2 phases :

1ère phase = définition des agents

L’élève doit se demander quels seront les “agents” (ici les molécules) présents dans notre environnement. Il arrivera à la conclusion qu’on pourra rencontrer du maltose, de la maltose, des complexes E/S et du glucose. On ne représentera pas l’eau vu qu’elle est omniprésente dans l’environnement.

A ce stade il n’a plus qu’à cliquer sur “Ajouter un agent” et saisir le nom, et le nombre initial d’agents.

Une fois tous les agents créé, il peut déjà tester son modèle, et voir les molécules s’agiter, ce qui représente un premier “retour visuel” encourageant.

2ème phase = définition des règles

Dans un deuxième temps il va falloir définir des “comportements” ou “règles” afin “qu’il se passe quelque chose”.

Par défaut ces règles sont relatives à des “rencontres entre plusieurs agents”, ce qui nous arrange puisque nous n’utiliserons que ce type de règle.

  • première règle : maltase + maltose -> complexe
  • deuxième règle : complexe -> maltase + glucose + glucose

Ce n’est pas plus difficile que cela.

A ce stade le modèle fonctionne, si l’élève est perfectionniste il peut l’améliorer, mais c’est facultatif :

  • attribuer des images à chaque molécule
  • ralentir les grosses molécules
  • ajuster le nombre initial des molécules
  • etc.

3ème phase : confrontation du modèle à la réalité

Enfin, l’élève peut tester la validité (voire la robustesse) de son modèle, en comparant la courbe de disparition du produit prédite par son modèle, à des courbes réelles. Si cette décroissance suit à peu près une loi exponentielle, son modèle est validé.

Le graphique intégré d’Edu’modèles ne permet pas de travailler avec précision sur les pentes et les valeurs. Cependant, Edu’modèles permet d’exporter le graphique au format CSV, il est alors possible de l’ouvrir dans un tableur.

Exemple de graphique obtenu avec le grapheur tableur Excel, à partir des données d’Edu’modèles

Remarque : il est plus difficile de tester avec ce logiciel les autres aspects de cette cinétique, notamment l’influence de la concentration initiale du substrat sur la vitesse de la réaction. Pour cela mieux vaut utiliser un modèle “tout fait”, comme Lactase, hébergé sur notre site académique à cette adresse.

Auteur : Philippe Cosentino

Lien vers le logiciel Edu’modèles :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/

Lien vers une archive contenant les images utilisées pour représenter les molécules :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/algo/docs/images-modele-maltase.zip