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, 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 :
Connaissances : Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs de réactions chimiques spécifiques dans le métabolisme d’une cellule.
Capacités : Étudier 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.
https://acamedia.ac-nice.fr/watch_video.php?v=12S51748Y1SX
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
Autre possibilité : cinétique de la vitesse initiale
Il est possible de montrer, par la modélisation, l’influence de la concentration initiale en substrat sur la vitesse initiale en utilisant la méthode des tangentes.
Avec Edu’modèles cette méthode est simple à mettre en oeuvre puisqu’il suffit de cliquer sur le graphique et de déplacer la souris en maintenant le bouton enfoncé pour tracer une tangente (la pente apparaît alors).
Cependant, la courbe étant très “irrégulière” du fait du faible effectif, il est difficile d’obtenir des valeurs très précises ou reproductibles. Pour améliorer les résultats, on peut :
- augmenter la taille de l’environnement (jusqu’à 200×200) et augmenter d’autant le nombre de molécules
- saisir un nombre de “tours de chauffe”, par exemple 100 : le graphique ne démarrera qu’après 100 tours (cela évite les artefacts liés au démarrage du modèle)
- lisser la courbe
- faire plusieurs essais pour une même concentration de substrat et faire une moyenne (ou ne pas faire de moyenne et conserver tous les points)
Un modèle “optimisé” pour l’étude cinétique (grand environnement, tours de chauffe, réglages adaptés) est proposé en fin d’article.
Remarque : on peut également se passer de la tangente, et faire une approximation en notant le nombre de molécules de maltose consommées au bout de 100 tours.
Les résultats que l’on obtient par la modélisation sont tout à fait cohérents par rapport à ce que l’on obtiendrait dans une expérimentation réelle, ce qui valide encore davantage notre modèle, et donc le mécanisme réactionnel proposé pour la catalyse enzymatique.
Toute la méthodologie à mettre en oeuvre pour réaliser cette étude cinétique est résumée dans la vidéo suivante :
Remarque : si vous trouvez cette activité de modélisation trop complexe à mettre en oeuvre, il existe un logiciel modélisant la catalyse enzymatique, “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/algo
Lien direct ouvrant le modèle terminé dans Edu’modèles :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/algo/?modele=maltase
Lien direct ouvrant le modèle optimisé pour la cinétique dans Edu’modèles :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/edumodeles/algo/?modele=cinetique- maltase
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
