ENERGIE ET CELLULE VIVANTE CHAPITRE 1 : La photosynthèse.

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CHAPITRE 1 : LA PHOTOSYNTHESE.

Comment la matière organique est-elle fabriquée par les végétaux chlorophylliens puis utilisée comme source d’énergie par les cellules ?

TP n°1 : mise en évidence de la photosynthèse

Remplir les trous à l’aide des mots suivants : amidon, CO2, eau, organique, lumière, C (écrire en bleu), O (écrire en rouge),

I. Bilan général de la photosynthèse.

Les Végétaux puisent le carbone minéral (………….) dans l’atmosphère ou dans l’eau. La photosynthèse permet d’intégrer ce carbone minéral dans la matière…………….. : il se forme du glucose polymérisé en …………………. dans les feuilles, au niveau des cellules chlorophylliennes.

La photosynthèse nécessite la présence de …………………et de CO2 : plus ces deux éléments sont présents en quantité importante, plus l’activité photosynthétique est intense.

Parallèlement à l’absorption de CO2, de l’O2 est rejeté lors des réactions photosynthétiques. Il provient de la molécule d’………...

L’ensemble des réactions photosynthétiques catalysées par des enzymes correspond à une oxydation de l’eau et une réduction du CO2 :

6 …O2 + 12 H2… ….6H12O6 + 6 …..2 + 6 H2O

La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l’énergie lumineuse.

II. La localisation de la photosynthèse.

TP n°2 : localisation de la photosynthèse

Remplir les trous à l’aide des mots suivants : stomates, diffuse, supérieure,

Les cellules chlorophylliennes sont situées majoritairement sur la face …………………. (exposée à la lumière) de la feuille au niveau des parenchymes palissadiques et lacuneux, sous l’épiderme supérieur. C’est dans ces cellules que s’effectue la photosynthèse.

L’épiderme inférieur de la feuille est perforé de ………………….. qui permettent l’entrée du CO2 dans la feuille. L’air pénètre dans la chambre sous-stomatique et le CO2 ………………… jusqu’aux cellules chlorophylliennes. (L’O2 suit le trajet inverse).

Document 1 : Coupe transversale de feuille

Energie lumineuse

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A. Le chloroplaste, un organite clé de la cellule chlorophyllienne.

Dans les cellules chlorophylliennes éclairées depuis plusieurs heures, on peut mettre en évidence la présence d’amidon dans de petits organites cytoplasmiques. La photosynthèse a donc bien lieu dans ces petits organites, les chloroplastes.

Ils mesurent en moyenne 10 μm et sont bordés par deux membranes (une membrane interne et une membrane externe) qui délimitent un compartiment interne contenant le stroma où sont localisées les nombreuses enzymes indispensables aux synthèses de matière organique. Des thylakoïdes baignent dans le

stroma. Ce sont des saccules membranaires aplatis et allongés qui renferment la chlorophylle au sein de complexes appelés photosystèmes. Les thylakoïdes sont empilés par endroit et forment des structures appelées grana (granum au singulier).

Document 2 : Photographie d’un chloroplaste observé au MET

Comment le chloroplaste peut-il utiliser l’énergie lumineuse ?

B. Absorption de l’énergie lumineuse par les chloroplastes.

TP n°3 : les pigments chlorophylliens

La chlorophylle brute extraite des feuilles est composée d’un mélange de pigments :

- Les chlorophylles a et b de couleur verte

- Les caroténoïdes (carotène et xanthophylle) de couleur jaune-orangée

L’observation du spectre d’absorption des pigments chlorophylliens montre qu’ils sont capables d’absorber les radiations lumineuses rouges et bleu-violet (mais pas les radiations vertes, ce qui explique la couleur verte de la plupart des végétaux chlorophylliens). Sa comparaison avec les radiations efficaces pour la photosynthèse (spectre d’action) met en évidence une concordance entre les deux spectres pour les chlorophylles a et b : ce sont des pigments photosynthétiques capables de capturer l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.

Les chlorophylles qui absorbent la lumière sont contenues dans les membranes des thylakoïdes.

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III. Les deux étapes de la photosynthèse

Expérience de Gaffron (doc 1 p 16)

La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes en deux étapes complémentaires et simultanées nécessitant la présence de lumière et se déroulant dans le stroma et les thylakoïdes :

- La première étape est entièrement dépendante de la lumière et est donc appelée phase photochimique. Elle permet la capture de l’énergie lumineuse des photons qui composent le

rayonnement lumineux et sa transformation en énergie chimique utilisable par la cellule dans les réactions du métabolisme.

- La deuxième étape est dépendante de la présence de CO2 mais ne nécessite pas directement de lumière : c’est une phase non photochimique. Elle permet la fixation du carbone minéral et sa réduction dans les molécules organiques de la cellule pour former des glucides. L’énergie fournie par les produits de la phase photochimique est indispensable à cette phase.

A. La phase photochimique.

1. La synthèse de transporteurs réduits

Les photons absorbés par les pigments des photosystèmes des thylakoïdes entrainent deux évènements d’oxydoréduction remarquables :

- La photolyse de l’eau ou oxydation de l’eau qui conduit à la décomposition de la molécule d’eau et donc à la production de dioxygène et au transfert d’électrons et de protons.

- Le transfert d’électrons au niveau du thylakoïde permet la réduction de petites molécules du stroma : les coenzymes R+. Ces molécules se comportent comme des accepteurs d’électrons et de protons. Une fois réduits,RH2 représentent un pouvoir réducteur susceptible d’être transféré ensuite sur d’autres molécules au cours de réactions chimiques ultérieures.

Cette oxydo-réduction n’est pas spontanée, elle exige un apport d’énergie fournie par la lumière.

2. La synthèse d’ATP

Le transfert d’électrons et de protons à un accepteur qui passe de l’état oxydé à l’état réduit permet également la synthèse d’ATP, adénosine triphosphate, à partir d’ADP + Pi au niveau de complexes enzymatiques appelés ATP synthases situés sur la membrane des thylakoïdes.

L’ATP fabriqué dans le stroma des chloroplastes est une petite molécule permettant de stocker de l’énergie. Elle est donc qualifiée de molécule hautement énergétique. Cette énergie est libérée lors de l’hydrolyse de l’ATP et peut être utilisée par les nombreuses réactions enzymatiques du métabolisme qui nécessitent un apport d’énergie et qui ne peuvent donc se faire sans couplage avec l’hydrolyse d’ATP.

Les transporteurs réduits RH2 et l’ATP sont les deux formes d’énergie chimique résultantes de la conversion de l’énergie lumineuse véhiculée par les photons et qui seront utilisables lors de la deuxième phase de la photosynthèse permettant l’assimilation du carbone.

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B. La phase chimique.

TP n°5 : La phase chimique.

1. La fixation et la réduction du CO2

Le CO2 minéral de l’air qui pénètre par les stomates des feuilles est incorporé dans la matière organique dans le stroma des chloroplastes : le CO2 est fixé sur un accepteur de CO2 à 5 carbones, le ribulose 1-5 bisphosphate (RuBiP C5P2) ce qui produit 2 molécules de PGA (phosphoglycérate), intermédiaire à 3 carbones. Cette phase de réduction du CO2 se fait grâce aux transporteurs réduits RH2 et à l’ATP produits lors de la phase photochimique de la photosynthèse.

2. Le devenir des produits de la fixation du CO2

A partir des molécules de PGA, des trioses phosphates sont produits puis des glucides simples ou complexes comme l’amidon mais également des acides aminés. Une partie des trioses phosphates sert également à régénérer l’accepteur de CO2, le ribulose 1-5 bisphosphate : l’ensemble des réactions de la phase non photochimique constitue donc un cycle localisé dans le stroma et appelé cycle de Calvin. Ce cycle nécessite beaucoup d’énergie ; elle est fournie par l’ATP synthétisé lors de la phase photochimique. Les produits de la photosynthèse sont exportés du chloroplaste vers le cytoplasme de la cellule chlorophyllienne où ils sont transformés en autres glucides et en acides aminés : ces molécules alimentent la cellule mais aussi l’ensemble de la plante, notamment les parties non chlorophyliennes. La photosynthèse est à l’origine de l’ensemble de la biomasse.

RuBP APG

Sucres

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BILAN :

Les deux phases de la photosynthèse.

Stroma

Thylakoïde

H2O O2

Lumière

ATP ADP RH2 R+

Cycle de Calvin

CO2

AMIDON

Cytoplasme de la cellule chlorophyllienne (protides,

glucides, lipides)

SUCRES

CHLOROPLASTE

Phase photo-chimique

Phase

chimique