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Modules post bac SVT - Mme AGUILLON

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Chimie et molécules du vivant

Objectifs

Réaliser des expériences pour visualiser des molécules

Etre capable de déterminer le mode d'acquisition d'une observation microscopique

Reconnaitre les molécules du vivant

Analyser des résultats d'expériences

Synthétiser des observations

Réviser quelques notions de fonctionnement cellulaire

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3

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Introduction et rappels

Manipulations et observations

Conclusion

Molécules du vivant

Quelques notions nécessaires pour ce module

Les grandes familles biochimiques

Les 1eres molécules du vivant

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Introduction

Quelques notions nécessaires

Introduction // Quelques rappels

Les molécules, que nous étudierons durant ce module, ont une taille comprises entre 0,5 nm et 22 mm (taille de la molécule ADN de l'être humain lorsqu'elle est décondensée). Ces molécules sont faites d'atomes. Elles forment et sont contenues dans les cellules Chez certains organismes, ces cellules s'assemblent et forment un tissu. Plusieurs tissus peuvent fonctionner ensemble au sein d'un organe. Les organes se regroupent en systèmes. On trouve plusieurs systèmes chez l'être humain.

Les échelles du vivant

Introduction // Quelques rappels

L'ADN ou acide désoxyribonucléique est une macromolécule qui compose le ou les chromosomes des êtres vivants. Dans les cellules eucaryotes, on la trouve dans le noyau. Dans les cellules procaryotes, on la trouve dans le cytoplasme. Dans le noyau, on le trouve sous la forme de chromosomes.Dans la mitochondrie ou chez les bactéries, il est de forme circulaire.

L'ADN

Introduction // Quelques rappels

Un atome est constitué d’un noyau qui comprend des neutrons n et des protons p+ (chargés positivement). Des électrons e- (chargés négativement) gravitent autour du noyau. L'ensemble des neutrons et protons se nomme "nucléons". Un atome se caractérise par son numéro atomique Z qui correspond au nombre de protons et qui le définit (par exemple, les atomes avec 6 protons appartiennent à l’élément chimique carbone C).

Les atomes

Introduction // Quelques rappels

Tous les atomes ou ions monoatomiques qui présentent le même numéro atomique appartiennent au même élément chimique. Le nombre de neutrons peut toutefois varier et on appelle isotopes les atomes ou ions ayant même numéro chimique mais un nombre de neutrons (donc un nombre total de nucléons) différent. Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par numéro atomique croissant.

Les atomes

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1

3

Introduction // A retenir

L'ADN est une macromolécule : c'est un assemblage de molécules

Idée clé

Idée clé

Certaines molécules peuvent être de grande taille mais la plupart sont de taille inférieure à 10 nm

Idée clé

La cellule est composée de molécules contenant des atomes.

Idée clé

Rappelez vous de ce que nous avons revu :)

L'ADN est une des molécules du vivant mais il en existe d'autres

go!

Vérifions ce que vous avez retenu

Introduction // Quiz

1

Introduction // Quiz

Qu'est-ce qu'une cellule eucaryote?

Une cellule ayant des organites

Un organisme composé de plusieurs cellules

Une cellule ayant un cytoplasme et capable de se multiplier

2

Introduction // Quiz

Quelles propositions suivantes sont correctes?

Une cellule est plus grande qu'une molécule elle même plus grande qu'un atome

Une molécule est plus grande qu'un organite lui même plus grand qu'un atome

Une molécule est plus petite qu'un tissu lui même plus petit qu'un organe

3

Introduction // Quiz

Quelles propositions suivantes sont correctes?

Une molécule a une taille toujours de l'ordre du nm

Une molécule a une taille de l'ordre du pm

Une molécule a une taille de l'ordre du µm

Introduction // Quiz

Quels éléments ci-dessous sont des molécules du vivant?

Les lipides

4

Les glucides

Les protéines

Introduction // Quiz

Bonus : Qui a découvert la structure de l'ADN?

Rosalind Franklin

5

James Watson et Francis Crick

Maurice Wilkins

0/5 CorrectOh oh... n'hésitez pas à revoir tous les diapos

1/5 CorrectMouais, une petite marche arrière s'impose

2/5 CorrectCa commence à être mieux, n'hésitez pas à revoir quelques diapos

3/5 CorrectPas mal! Vous pouvez revoir quelques diapos la veille

4/5 CorrectSuper! Bravo!

5/5 CorrectBravissimo! C'est du génie!

Bravo!

RDV en classe pour la suite du module!

1

3

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Introduction et rappels

Manipulations et observations

Conclusion

Molécules du vivant

Quelques notions nécessaires pour ce module

Les grandes familles biochimiques

Les 1eres molécules du vivant

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Manipulations et observations

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Molécules du vivant

Les atomes dans la matière

Manipulation et observations // 1

O, C, N et H composent plus de 95 % des êtres vivants et sont appelés macroéléments.L'oxygène est également majoritaire dans la composition des roches terrestres. Certains atomes néanmoins sont spécifiques des êtres vivants et sont très peu fréquents dans les roches et inversement.

Les atomes dans la matière

Manipulation et observations // 1

Ainsi, les êtres vivants sont composés : - Des macroéléments : C, H, O, N- Des oligoéléments : phosphore P, soufre S, calcium Ca, sodium Na… - Des microéléments (atomes présents à l’état de traces (< 0,01 %)) : fer Fe, zinc Zn…

La proportion des atomes dans l'Univers

Manipulation et observations // 1

Parmi les atomes les plus abondants dans l'Univers, une grande majorité se retrouve chez les êtres vivants sauf...

Des atomes aux molécules

Manipulation et observations // 1

Les atomes du vivant s'assemblent en molécule grâce à des liaisons chimiques comme les liaisons covalentes. Elles ont lieu entre les atomes dont la couche de Valence (couche d'électrons la plus périphérique) ne respecte pas la règle du duet ou de l'octet.

Règle du duet (applicable aux atomes de numéro atomique Z ≤ 4) : un atome ou un ion est stable si la couche externe est remplie avec deux électrons. Règle de l'octet (applicable aux atomes de numéro atomique Z > 4) : un atome ou un ion est stable si la couche externe est remplie avec huit électrons.

Des atomes aux molécules

Manipulation et observations // 1

Lorsque les deux atomes de fluor (F) ne sont pas liés, ils ont chacun 7 électrons sur la couche électronique la plus éloignée du noyau. Lorsqu'ils sont liés et forment la molécule F2, ils partagent des électrons. Ils ont alors chacun 8 électrons sur leur dernière couche électronique respectant la règle de l'octet : ils sont plus stables.

Des atomes aux molécules

Manipulation et observations // 1

- Les électrons sont représentés par des sphères de couleur- Les électrons de chaque couche sont représentés d’une couleur différente - Une couche électronique ne peut pas contenir plus d’électrons que la valeur qui y est notée en bas du diagramme (e - = 2 par exemple)- Les électrons sont répartis de manière symétrique au sein d’une couche

Des atomes aux molécules

Manipulation et observations // 1

1

Manipulation et observations // 1

Quels atomes ne forment pas de molécules et de fait ne se retrouveront pas dans les molécules du vivant?

Les atomes ayant 2 ou 8 électrons sur leurs couches de Valence

Les atomes ayant 2 ou 4 électrons sur leurs couches de Valence

Les atomes ayant 2 ou 6 électrons sur leurs couches de Valence

2

Manipulation et observations // 1

Comment se nomment les atomes qui sont stables et ont déjà 2 ou 8 électrons sur leurs couches de Valence?

Ce sont des gaz nobles

Ce sont des métaux alcalins

Ce sont des lanthanides

Les molécules présentes chez les êtres vivants

Manipulation et observations // 1

L'eau, une molécule minérale indispensable à la vie

Manipulation et observations // 1

L'eau assure de multiples fonctions dans les cellules liées à ses propriétés. Elle constitue environ 70% de la composition des cellules!L'eau est : - un solvant - un fluide cohésif- un fluide incompressif- un tampon thermique- une molécule majeure du métabolisme cellulaire

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2

Grandes familles biochimiques

Protocole d'extraction de la molécule d'ADN :

Manipulation et observations // 2

1 □ Couper un kiwi en 2 et récupérer la chair dans le mortier en éliminant la partie centrale plus ferme.2 □ Couper la chair en petits morceaux puis la broyer avec le pilon.3 □ Peser 3 g de sel dans le bécher et y ajouter 90 mL d’eau distillée. 4 □ Mélanger dans le bécher en remuant avec l’agitateur afin de bien dissoudre le sel. 5 □ Ajouter 10 mL de liquide vaisselle et bien mélanger.6 □ Dans le mortier, couper le demi-kiwi en petits morceaux et le broyer à l’aide du pilon.7 □ Ajouter le broyat de kiwi au mélange du bécher (le liquide vaisselle est un détergent qui dissout les lipides qui composent la membrane plasmique) 8 □ Filtrer la solution obtenue grâce à l’entonnoir et au papier filtre en récupérant le filtrat dans un tube à essai. 9 □ Prélever 5mL de ce filtrat grâce à la pipette plastique et les verser dans un tube à essai10 □ Dans un tube à essai différent, verser 5mL d’alcool réfrigéré.

Protocole d'extraction de la molécule d'ADN :

Manipulation et observations // 2

11 □ En veillant à le faire couler doucement le long de la paroi du tube, verser délicatement l’alcool réfrigéré sur le filtrat (3eme tube dans le 2nd tube) : l’alcool doit former une phase incolore distincte du reste de la solution.12 □ Patienter 5 minutes en surveillant l’apparition à l'interface entre les deux phases d’une zone opaque et blanche formée de filaments. C'est de l'ADN qui précipite (se solidifie) en passant de la phase aqueuse (eau savonneuse) dans la phase d'alcool juste au-dessus.13 □ Si besoin, incliner doucement le tube de droite à gauche afin de faire se détacher l’ADN de la surface des deux liquides non miscibles. Les bulles d’air entraînent l’ADN vers la surface de l’alcool.14 □ Avec l’extrémité de la pipette plastique, il est possible d’entrainer l’ADN vers la surface.

Résultat en vidéo :

Manipulation et observations // 2

Pour mieux visualiser le résultat de votre expérience, vous pouvez saisir la méduse d'ADN avec l'anse de platine et la déposer dans le verre de montre sur le papier canson noir.

La molécule d'ADN :

Manipulation et observations // 2

L'ADN est un polymère de nucléotides, eux-mêmes composés d'une base azotée, d'un sucre et d'un phosphate

Manipulation et observations // 2

Les nucléotides de l'ADN présentent de la diversité : on compte 2 bases puriques et 2 bases pyrimidiques.Dans l'ADN, on trouve de la thymine mais dans l'ARN, on trouve de l'uracile.Il existe encore d'autres bases azotées qui sont modifiées.

Composition des acides nucléiques :

Manipulation et observations // 2

Le sucre présent dans les acides nucléiques diffère aussi entre l'ADN et l'ARN. Il s'agit dans les deux cas d'un pentose (sucre à 5 carbones) mais on parle de RIBOSE pour l'Acide RIBOnucléique et de DESOXYRIBOSE pour l'Acide DESOXYRIBOnucléique.

Composition des acides nucléiques :

Manipulation et observations // 2

Les nucléosides deviennent des nucléotides lorsque le carbone 5' établit une liaison avec 1, 2 ou 3 phosphates. On les nomme alors : - désoxyadénosine, désoxythymidine, désoxyguanosine et désoxycytidine - monophosphate ou diphosphate ou triphosphate pour l'ADN- adénosine, thymidine, guanosine et cytidine pour l'ARN - monophosphate ou diphosphate ou triphosphate

Composition des acides nucléiques :

Manipulation et observations // 2

La liaison formée entre les nucléotides est une liaison phosphodiester c'est à dire qu'elle a lieu entre la liaison anhydride phosphorique du NTP suivant et la fonction OH du carbone 3 du ribose ou désoxyribose.La polymérisation se fait toujours du "haut" vers le bas. Or, le 1er nucléotide à l'extrémité n'est relié à rien en amont : son carbone 5' est donc libre : c'est le début de la molécule d'ADN. Le dernier nucléotide n'est relié à rien en aval : son carbone 3' est donc libre.

Structure des acides nucléiques :

Manipulation et observations // 2

L’ADN est une molécule fondamentalement bicaténaire, c’est-à-dire qu’il est fait de deux brins : rigoureusement, il s’agit donc d’un double polymère de nucléotides associés par des liaisons hydrogène.Chargaff a permis de déterminer la complémentarité des nucléotides en 1949 en analysant la quantité de chaque nucléotide dans l'ADN.

Structure de l'ADN

Manipulation et observations // 2

Pour qualifier la structure secondaire de l’ADN, on dit qu’il présente une structure en double hélice car il est fait de deux brins qui s’enroulent en hélice ; les deux brins sont antiparallèles, c’est-à-dire qu’ils sont orientés de manière inverse l’un par rapport à l’autre (un brin 3’ → 5’ et l’autre 3’ → 5’). Cette organisation en double hélice avec les bases azotées au centre a été découverte par Rosalind Franklin grâce à son fameux cliché 51.

Structure de l'ADN

Manipulation et observations // 2

Le cliché 51 est le nom donné à une image obtenue par diffraction de l'ADN aux rayons X en mai 1952 au King's College de Londres par Raymond Gosling et Rosalind Franklin. Il s'agissait du 51e cliché de diffraction obtenu grâce à la méthode développée par Rosalind.Ce cliché lui a permis de comprendre que la molécule d'ADN avait bien une organisation en double hélice! Mais comment?

Cliché 51 et structure de l'ADN

Manipulation et observations // 2

Gosling transmet, sur autorisation de Franklin, ce résultat à Maurice Wilkins, un ancien collègue. Malheureusement, Wilkins transmet son travail à Watson et Crick sans son accord. Ils publient un article sur la forme en double hélice de l'ADN pour lequel ils recevront tous les 3 un prix Nobel. Rosalind Franklin ne sera pas récompensée ni mentionnée par les 3 scientifiques. Elle meurt avant l'attribution de ce prix d'un cancer surement développé à cause de son exposition aux radiations.Dans ses carnets de laboratoire, on retrouvera ce schéma et ce texte, écrits bien avant le travail de Watson et Crick et qui mentionne la structure en hélice avec la formation de liaisons hydrogènes entre les bases azotées.

Cliché 51 et structure de l'ADN

Manipulation et observations // 2

Dans une pièce sombre, viser à l'aide du laser le ou les fils de nylons fixés dans les porte diapositives. 2 porte diapositives contiennent des fils de nylon simple de 2 tailles différentes tandis que 2 autres sont composés de 2 fils enroulés. Récupérer l’image de diffraction sur la feuille blanche.

Protocole : diffraction au laser de différents modèles de la molécule d'ADN

Manipulation et observations // 2

Cliché 51 et structure de l'ADN

1

Manipulation et observations // 2

Quelle est la forme de la molécule d'ADN?

C'est une double hélice

C'est un cercle

C'est une hélice

2

Manipulation et observations // 2

Comment sont organisés les brins d'ADN ?

Les brins d'ADN sont antiparallèles

Les brins d'ADN sont perpendiculaires

Les brins d'ADN sont parallèles

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Manipulation et observations // 2

Qu'est ce qui différencie l'ADN de l'ARN?

L'ADN n'a pas les mêmes bases azotées ni le même sucre et est double brin

L'ADN n'a pas les mêmes bases azotées ni le même sucre mais le reste est identique

L'ADN ne contient pas les mêmes bases azotées que l'ARN mais le reste est identique

Manipulation et observations // 2

Les glucides constituent une famille de molécules organiques comprenant les oses – petites molécules de formule générale CnH2nOn (n compris entre 3 et 7) – et leurs composés (holosides), ainsi que les oses modifiés. Il s’agit de molécules très majoritairement hydrophiles, même si de gros polymères glucidiques sont insolubles.

Les glucides :

Manipulation et observations // 2

La cyclisation est très fréquente chez les glucides et peut aboutir à deux types de formes :- Une forme furanose si le cycle contient 5 atomes (1 oxygène et 4 carbones)- Une forme pyranose si le cycle contient 6 atomes (1 oxygène et 5 carbones).

Les glucides :

Manipulation et observations // 2

Lors de la cyclisation, le groupement OH du carbone 1 peut se retrouver soit vers le bas de la molécule : on l'appelle alors forme alpha, soit vers le haut de la molécule : on l'appelle alors forme beta. Cette différence a un impact majeure sur la polymérisation des oses et les liaisons entre monomères.

Les glucides :

Manipulation et observations // 2

Les osides ou holosides sont des glucides formés par la réunion de plusieurs oses. On distingue : - Les diholosides (ou diosides ou disaccharides ou sucres doubles) formés de deux oses- Les oligoholosides (ou oligosides ou oligosaccharides) formés de quelques oses (moins de dix) - Les polyholosides (ou polyosides ou polysaccharides) formés de nombreux oses (souvent beaucoup plus) : amidon, amylose, amylopectine, glycogène, cellulose

Les glucides :

Manipulation et observations // 2

Les polyholosides peuvent également être conjugués auquel cas il y a association avec des substances organiques non glucidiques, comme des peptides, des lipides ou des oligosaccharides. Ils forment alors un réseau gélifié complexe et hydraté que l’on retrouve dans les matrices extracellulaires animales ou bactériennes.

Les glucides :

Manipulation et observations // 2

Un acide aminé est une substance composée d’un carbone portant une fonction acide carboxylique, une fonction amine, un hydrogène et un radical (= chaîne latérale) variable (notée R de manière générique). Le radical peut contenir les atomes C, H, O et N (et, pour la cystéine et la méthionine : du soufre S).Il existe près de 500 acides aminés connus dont près de 150 peuvent se retrouver chez les êtres vivants dont seulement 20 interviennent dans la formation des protéines.

Les acides aminés :

Manipulation et observations // 2

Les acides aminés :

En fonction du radical, les acides aminés peuvent être hydrophiles, si le radical est polaire ou chargé, ou hydrophobes, si le radical est apolaire. Ils peuvent aussi présenter une certaine charge variable selon le pH.Les AA hydrophobes ont tendance à se regrouper entre eux par interactions hydrophobes ; ils peuvent par exemple se retrouver enchâssés dans la membrane plasmique, constituant alors un domaine transmembranaire de protéine, ou au contraire au centre des protéines localisées dans un liquide aqueux.

Manipulation et observations // 2

Les protéines :

L’union de 2 acides aminés passe par la formation d’une liaison covalente nommée liaison peptidique qui intervient entre la fonction amine d’un AA et la fonction acide carboxylique de l’autre AA, s’accompagnant d’une perte d’eau (la réaction inverse est donc une hydrolyse).• On parle d’oligopeptide quand il y a peu d’acides aminés (souvent moins de 10).• Au-delà, on parle de polypeptide.• Une protéine peut être considérée comme un polypeptide de grande taille, souvent de taille supérieure à 100 acides aminés remplissant une fonction donnée dans la cellule ou l’organisme.

Manipulation et observations // 2

Les protéines :

Ces longues chaînes d'acides aminés subissent ensuite plusieurs niveaux de repliement (on parle de conformation) jusqu'à atteindre leurs conformations spatiales, c’est-à-dire l'organisation dans l’espace qui leur permet d’assurer leur activité biologique.La structure primaire de la protéine correspond à la chaîne polypeptidique linéaire définie par la nature, le nombre et l’enchaînement des AA en son sein. Elle correspond donc à la séquence peptidique, c’est-à-dire l’ordre d’enchaînement des AA dans le polypeptide.

Manipulation et observations // 2

Les protéines :

La séquence primaire est à l’origine de la structure secondaire et de la structure finale de la protéine : la séquence peptidique définit donc en grande partie la forme finale de la protéine.La structure secondaire correspond à de petits repliements locaux et spontanés de la chaîne d’AA par établissement de liaisons faibles (liaisons hydrogènes par exemple) entre acides aminés. On observe la formation d'hélices alpha et de feuillets beta : L'assemblage de plusieurs structures secondaires via des liaisons variées forme la structure tertiaire.

Manipulation et observations // 2

Les protéines :

On parle de structure quaternaire pour désigner la conformation spatiale fonctionnelle d’une protéine multimérique, c’est-à-dire constituée de l’assemblage de plusieurs chaînes polypeptidiques elles-mêmes reployées. Chaque polypeptide s’appelle une sous-unité (ou un protomère) de la protéine.Par ailleurs, une protéine peut s'assembler à de petites molécules souvent liées à un ion métallique (ex : centre de l'hémoglobine); à des lipides (lipoprotéine) ou à des glucides (glycoprotéine membranaires).

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3

Les 1eres protéines du vivant

La théorie cellulaire

Manipulation et observations // 3

Les travaux de Pasteur sur la théorie cellulaire et ceux de Darwin sur la phylogénie soulève une grande question : si toute cellule provient d'une autre cellule préexistante et que tous les êtres vivants partagent un ancêtre commun LUCA, alors COMMENT EST APPARUE LA 1ERE CELLULE SUR TERRE?Alexandr Ivanovitch Oparine (1894-1980), un biochimiste soviétique, a développé ses idées sur l'évolution de la matière minérale vers la matière vivante. Un biologiste anglais, John Haldane (1892-1964), a aussi proposé à peu près la même chose, au même moment et de façon indépendante. On peut donc parler de la théorie d'Oparine-Haldane.Pour ces deux hommes de sciences, il faut sortir du cercle vicieux qui dit que seule la vie peut produire la vie. Et il faut aller chercher les évidences de l'origine de la vie à partir de la formation de la Terre.

La théorie d'Oparine et Haldane :

Manipulation et observations // 3

Les radiations UV auraient briser les molécules simples de l'atmosphère primitive en libérant des radicaux très réactifs qui rapidement se combinent pour former des molécules plus grosses. On peut aussi considérer que les décharges électriques que sont les éclairs, ainsi que les volcans, ont fourni une source énergétique additionnelle. La condensation de l'eau des nuages en pluie entraîne ces nouvelles molécules dans l'océan alors en formation. Ces nouvelles molécules, sont des molécules composées de C, H, O et N. Ensembles, elles forment le bouillon primitif ou soupe primitive. C'est dans cette soupe primitive que les molécules organiques auraient progresssivement évolué vers les molécules que l'on connait aujourd'hui (lipides, glucides, protéines et acides nucléiques).

La théorie d'Oparine et Haldane :

Manipulation et observations // 3

Il a fallu attendre le milieu des années 1950 pour qu'un jeune doctorant, Stanley Miller se lance dans une aventure périlleuse : tenter de reconstituer en laboratoire les conditions postulées par Oparine et Haldane pour l'apparition de la vie, tout au moins de la fabrication des molécules de la vie. Il conçut un montage avec une un système fermé, parfaitement stérile, dans lequel il ajoutat des mécanismes simulant ceux présents lors de la soupe primitive.

La théorie d'Oparine et Haldane :

Manipulation et observations // 3

Miller a réussi à isoler un certain nombre de molécules, et surtout à démontrer qu'il avait produit ces fameuses molécules organiques prédites par Oparine-Haldane. Par la suite, plusieurs laboratoires ont confirmé les résultats de Miller. Les bases d'une discipline scientifique nouvelle venait d'être jetées: la chimie prébiotique, c'est-à-dire la chimie des molécules juste avant la vie. On a découvert dans cette "soupe primitive" des molécules organiques qui aujourd'hui constituent la base de la matière vivante, = les briques de la vie.Aujourd'hui, ce modèle est redisctuté car la composition de l'atmopshère utilisée serait erronée. .

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Conclusion

La cellule (telle qu'on l'a connait désormais)

Conclusion

Les molécules du vivant :

Bibliographie

01

Biologie moléculaire de la cellule - Alberts

02

Biologie - Campbell

Organisation fonctionnelle de la cellule - Tanguy Jean

03

04

Biologie Tout en 1 - BCPST 1ere et 2eme année - Edition Dunod

Chimie et molécules du vivantModules post bac SVT - Mme AGUILLON

Module terminé !

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