LECONS : Chloroplaste et mitochondrie

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1 LECONS : Chloroplaste et mitochondrie Remarques : Dans les deux plans proposés, il faudrait construire un schéma bilan global comme celui réalisé samedi. L un d entre vous propose un plan qui reprend le I/ du premier plan proposé ici suivi du I/ et du II/ du second, ce qui, à mon avis, fonctionne bien également. Autres leçons proches Autotrophie et hétérotrophie à l'échelle de la cellule 2 nde Respiration, fermentation et production d'atp Tale Sspé Compartimentation cellulaire et métabolisme chez les végétaux TS Spécialité Les ouvrages utilisables ARTICLES SCIENTIFIQUES POUR LA SCIENCE : L intégrale des articles (CD ROM) L intégrale des dossiers (32 dossiers) : Tous les articles des Hors séries de Pour la science (CD ROM) Encyclopaedia Universalis 2008(CD v13) OUVRAGES GENERAUX CAMPBELL : Biologie. (Pearson education) 7ème 2007 RAVEN ET al : Biologie (De Boeck) BIOLOGIE CE LLULAIRE ET MOLECULAIRE BIOCHIMIE MICROBIOLOGIE - ALBERTS et al : L essentiel de la biologie cellulaire. 2ème édition, 2005 (Médecine sciences, Flammarion) - LODISH et al. : Biologie moléculaire de la cellule.1997, 2005 (De Boeck) - ROLAND, SZÖLLÖSI et CALLEN : Atlas de biologie cellulaire.2005 (Dunod) - STRYER : Biochimie.1985, 5ème édition 2003 (Flammarion) BIOLOGIE ET PHYSIOLOGIE VEGETALE A BOTANIQUE - ENCYCLOPEDIA UNIVERSALIS : Dictionnaire de la botanique (Albin Michel) - PRAT : Expérimentation en physiologie végétale. 1994, 2007 (Hermann) - RAVEN, EVERT et EICHHORN : Biologie végétale. 2000, 2007 (De Boeck) - ROBERT ROLAND : Biologie végétale Tome 1 : Organisation cellulaire (Doin) - ROLAND ROLAND : Atlas de biologie végétale Organisation des plantes à fleurs. 5ème édition.1999 et 2004(Dunod) B PHYSIOLOGIE VEGETALE - TAIZ and ZEIGER : Plant Physiology et 2002 (3ème édition) (Sinauer) Logiciels pédagogiques 1

2 Replacer la séquence dans la progression annuelle Cette leçon, en TS spécialité, appartient à la partie intitulée «Diversité et complémentarité des métabolismes». On envisage tout d abord le cycle du carbone dans un premier chapitre ainsi que la synthèse de matière organique mais à l échelle de la plante. On montre également que dans un écosystème, les relations trophiques s établissent entre les producteurs primaires autotrophes et les divers producteurs secondaires hétérotrophes. Les éléments essentiels à la synthèse de matière organique par les végétaux chlorophylliens : lumière, chlorophylle sont connus ainsi que les échanges gazeux (consommation de CO 2 et production d O 2 ). Il reste à envisager le rôle des chloroplastes dans la synthèse de matière organique et le déroulement de cette synthèse au sein de l organite. De même, toute cellule, autotrophe ou hétérotrophe consomme de la matière organique et régénère de l ATP nécessaire à de nombreux travaux cellulaires. Les acquis En seconde : Autotrophie et hétérotrophie Dans les programmes Autotrophie et hétérotrophie ont été identifiées en classe de seconde comme deux types majeurs de métabolismes chez les êtres vivants. Cette partie du programme de spécialité de la classe de terminale S donne l occasion d étudier le métabolisme à l échelle de l organisme et de la cellule. Elle conduit à une meilleure compréhension des phénomènes à l origine de la synthèse des constituants moléculaires des cellules. La phase photochimique de la photosynthèse et la respiration mitochondriale sont des processus contribuant au renouvellement de molécules comme l ATP utilisées lors des synthèses et activités cellulaires (transports, mouvements). L étude de ces fonctions donne aussi l occasion de compléter la construction du bilan structural et fonctionnel de la cellule en tenant compte des acquis des années précédentes, et d aborder l origine d'organites tels que mitochondries et chloroplastes. Dans les compléments de programmes On se limite comme le programme l indique à la photoautotrophie pour le carbone. La mise en évidence de production de matière organique, de dioxygène et les conditions générales de cette production (CO 2, lumière, pigments) peut être menée grâce à des expérimentations classiques. La nécessité d un approvisionnement en carbone conduit à en rechercher la source dans le CO 2 atmosphérique, et donc à l observation des échanges et des structures mises en jeu. La feuille est présentée comme un lieu de synthèse de matière organique (dont le siège est le chloroplaste), en communication avec l atmosphère par les stomates, approvisionnée en eau et en sels minéraux par la sève brute et qui peut éventuellement exporter ses productions par la sève élaborée. L élève est ainsi conduit à replacer l activité photosynthétique du chloroplaste dans le cadre d un schéma général du fonctionnement du végétal. Les pigments foliaires sont extraits. Leur séparation permet de mettre en évidence leur diversité. On compare le spectre d action de la lumière sur la photosynthèse et le spectre d absorption de la lumière par un extrait brut de pigments foliaires pour mettre en évidence le rôle de ces pigments, et amener à la notion de «pigments photosynthétiques» L étude des mécanismes biochimiques de la photosynthèse est volontairement restreinte. Elle se limite à faire comprendre que l équation bilan de la photosynthèse résulte en réalité de deux processus complémentaires et simultanés. L existence de ces deux processus peut être montrée grâce à des expérimentations rappelant les travaux de Hill. On se limite aux explications suivantes pour les deux phases de la photosynthèse : La phase photochimique comprend la capture des photons, l oxydation de l eau et la production de dioxygène, ainsi que la synthèse de molécules intervenant ensuite dans le métabolisme : ATP et coenzymes réduits (RH2). Cet ensemble de réactions est présenté globalement comme un «système d oxydo réduction» qui se 2

3 déroule au niveau des thylacoïdes où sont localisés les pigments photosynthétiques et des protéines et enzymes impliquées dans les réactions d oxydoréduction. En ce qui concerne la phase non photochimique, on se limite à dire qu elle consiste en l incorporation du CO2 dans la matière organique dans le stroma et que cette incorporation s accompagne d une réduction qui utilise les coenzymes réduits et l ATP produits par la phase photochimique. On illustre la fabrication de matière organique par la production de glucides. Le cycle stromatique de réduction photosynthétique du carbone se limite à une symbolisation de l accepteur de CO2 sous la forme C5P2, et des réactions ultérieures sous une forme semblable (formation de C3P). La respiration au niveau cellulaire est mise en évidence par des expériences classiques, la présence des mitochondries est remarquée dans toutes les cellules y compris les cellules photosynthétiques. Comme pour le chloroplaste, on indique l'isolement possible des organites et leur indépendance physique dans la cellule. Leur rôle dans la respiration ainsi que l'importance de la glycolyse initiale dans le catabolisme glucidique sont étudiés au moyen de documents rapportant des expériences. L interprétation schématique de l activité respiratoire en liaison avec le catabolisme des glucides dans le hyaloplasme et les mitochondries se fera comme dans le cas de l activité photosynthétique et du chloroplaste, sans aucun développement détaillé sur les mécanismes du transferts des protons vers l espace intermembranaire et de la synthèse d ATP, ni sur les composantes moléculaires des membranes des crêtes mitochondriales. Au niveau des réactions membranaires, on se limitera à indiquer, par analogie avec l étude des chloroplastes, que les réactions d oxydo réduction qui consomment des coenzymes réduites s accompagnent de transferts d électrons et d une réduction de l oxygène, accepteur terminal des électrons et protons. Seuls des bilans qualitatifs et quantitatifs simplifiés mettant en rapport les réactions globales du catabolisme des glucides et la production d ATP sont exigibles. On conclut cette partie en signalant la diversité des modes de dégradation des composés organiques. Ceci est illustré uniquement par le cas de la fermentation alcoolique. Cemécanisme permet la vie d organismes ou simplement de cellules dans des conditions anaérobies. L'origine des organites (mitochondries et chloroplastes) peut être évoquée mais ne pourra pas faire l objet de questions l examen. Plans proposés On peut envisager lors de la leçon, une progression conforme à l ordre du programme ou bien une progression plus originale, basée sur une étude comparative du chloroplaste et de la mitochondrie qui impose de bien montrer son adaptation par rapport au programme. Quelles sont les relations entre ultrastructures du chloroplaste et de la mitochondrie et conversions énergétiques pour produire de l ATP : Conversion de l énergie lumineuse dans le chloroplaste et conversion de l énergie chimique dans la mitochondrie? Comment ces conversions qui nécessitent des transferts d électrons et de protons font intervenir les transporteurs? Quel est le devenir de l ATP synthétisé? 3

4 I. Place dans l énergétique de la cellule A. Chloroplaste et mitochondrie : deux organites compartimentés B. Bilans énergétiques de la photosynthèse et de la respiration C. Des métabolismes complémentaires dans le cycle du carbone II. Des systèmes membranaires complexes A. Conversion de l énergie lumineuse en énergie chimique dans la membrane des thylakoïdes B. La dernière étape de la respiration dans les crêtes mitochondriale 1. L origine des transporteurs réduits : deuxième étape de la respiration dans la matrice 2. La réoxydation des composés réduits III. Les devenirs de l ATP produit A. Dans la mitochondrie B. Dans le chloroplaste : le cycle de Calvin 4

5 I. Chloroplaste et photoautrophie pour le carbone On a montré que les végétaux verts sont les producteurs primaires. Ils fabriquent leur matière organique à partir de carbone minéral (CO 2 atmosphérique dans notre exemple) en présence de lumière : ils sont autotrophes pour la carbone et réalisent la photosynthèse, dont l équation globale peut s écrire : 6H 2 O + 6 CO 2 > C 6 H O 2 La photosynthèse est un processus de conversion de l énergie lumineuse en énergie chimique. Cette conversion est réalisée dans les chloroplastes Oxydation 6H 2 O + 6 CO 2 > C 6 H O 2 Réduction A. La structure fine du chloroplaste Etude d électronographies de chloroplastes (MET, MEB) => Structure compartimentée : différents compartiments et différentes membranes B. La photosynthèse : un processus en deux étapes Documents : expérience de Gaffron : Quantité de carbone incorporé par unité de temps à l obscurité puis à la lumière Incorporation du carbone pour les différents compartiments chloroplastiques => coopération des thylakoïdes et du stroma Schéma simple de chloroplaste avec les noms des deux phases la justification de leur appellation. C. La phase photochimique de la photosynthèse 1. L absorption de la lumière par les pigments chlorophylliens TP :Extraction des pigments cf doc La comparaison des deux spectres permet de montrer que les radiations absorbées sont les radiations efficaces pour la photosynthèse. On qualifie ces pigments de pigments photosynthétiques. (cours) Les pigments photosynthétiques sont localisés dans les chloroplastes et plus précisément dans les membranes des thylacoïdes de ces organites. 2. La conversion de l énergie lumineuse en énergie chimique a) Approche expérimentale Dans l équation de la photosynthèse, l eau apparaît comme un donneur d électrons et d hydrogène et le CO 2 apparaît comme un accepteur. En 1937, Hill envisagea l existence d un intermédiaire acceptant les électrons provenant de l eau pour les transférer ensuite au dioxyde de carbone. La photosynthèse comporterait deux étapes : - une étape de réduction du transporteur ; - une étape d oxydation du transporteur et de réduction du dioxyde de carbone On veut vérifier que la phase photochimique nécessite à la fois de la lumière et un accepteur 5

6 TP cf doc Dans les thylacoïdes, se déroule la phase photochimique dans laquelle grâce à la collecte des photons par les pigments, un ensemble d oxydo réductions permet l oxydation de l eau, la production d O2, de composés intermédiaires RH2 et ATP => Commencer à compléter un schéma de chloroplaste b) Oxydation de l eau et régénération d ATP D. La phase d assimilation du carbone Etude des résultats des expériences de Calvin et Benson => Mise en place du cycle 6

7 II. Mitochondrie et ATP cellulaire A. La structure fine des mitochondries Support : électronographies (MET, MEB) de mitochondries B. Rôle des mitochondries dans la respiration cellulaire C. Transformation du pyruvate et production de composés réduits La deuxième étape se déroule dans la matrice des mitochondries. C est une série de décarboxylations oxydatives, à partir du pyruvate, qui s accompagne de la production de composés réduits et de synthèse d ATP. 2 CH 3 COCOOH+10 R'+6 H 2 O 6 CO R'H 2 2 ADP+2 Pi 2 ATP D. L utilisation des composés réduits pour la production d ATP La dernière étape se déroule dans les crêtes de la membrane interne des mitochondries. C est l oxydation par le dioxygène, des composés réduits produits dans les étapes précédentes. Elle est couplée à la production d'une importante quantité d ATP. 12 R'H 2 +6 O 2 12 R'+12 H 2 O 32 ADP+32 Pi 32 ATP E. Le devenir de l ATP produit Exemple possible : cyclose des chloroplastes III. Chloroplaste et mitochondrie : des fonctions complémentaires A. A l échelle de la cellule Construction de schémas fonctionnels mettant en place les relations fonctions structures au sein d une cellule Toute cellule vivante est constamment soumise à un bilan d entrée et de rejet de matière, qu accompagnent des conversions énergétiques. La cellule eucaryote est formée de compartiments dans lesquels se déroulent des réactions métaboliques particulières, catalysées par des enzymes spécifiques. La mitochondrie et le chloroplaste proviennent probablement de bactéries qu une cellule hôte ancestrale aurait adoptées comme endosymbiotes. 7

8 B. A l échelle de l individu Les composés glucidiques formés par la réduction du CO2 sont exportés hors du chloroplaste vers le cytoplasme des cellules chlorophylliennes ; ils peuvent être temporairement stockés dans le chloroplaste sous forme d amidon. Dans la cellule chlorophyllienne, les produits initiaux de la photosynthèse permettent essentiellement la synthèse de saccharose mais aussi de tous les autres constituants chimiques des êtres vivants (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques ) grâce à un apport d ions minéraux transportés par la sève brute. Conclusion : théorie endosymbiotique 8

9 1 Supports pédagogiques TP Observations microscopiques de chloroplastes d élodée avec ou sans amidon Séparation des pigments chlorophylliens par chromatographie sur papier Spectre d absorption de la chlorophylle Approche expérimentale de la phase photochimique par Exao Supports papiers Electronographies de chloroplastes et de mitochondries Oxydation de l eau et production de coenzymes réduits dans le chloroplaste Régénération d ATP Phase d assimilation du carbone : Travaux de Calvin Expérience de Lehninger : Utilisation des coenzymes réduits et régénération de l ATP dans la mitochondrie TP :Extraction des pigments Obj cognitif : les chloroplastes, organites autotrophes sont caractérisés par la présence de pigments chlorophylliens obj méthodologique : Comprendre la manipulation, Réaliser une manipulation d après un protocole respect des étapes du protocole, utilisation maîtrisée du matériel organisation de la paillasse Spectre d absorption des pigments Obj cognitif : seules certaines longueurs d onde de la lumière blanche sont absorbées par une solution de chlorophylle brute. Dispositif pour l obtention d un spectre Spectre d absorption (b) d une solution de Spectre d absorption des pigments bruts d une feuille verte 9

10 chlorophylle brute TP : Obj cognitif : la photosynthèse se décompose en deux étapes dont la première est l oxydation de l eau et la réduction d un transporteur. Obj méthodologique : Comprendre la manipulation. Réaliser une manipulation d après un protocole et utiliser une chaîne d ExAO (respect des étapes du protocole, utilisation maîtrisée des fonctionnalités du logiciel, gestion et organisation du poste de travail). Traiter des données sous forme d un graphique. Appliquer une démarche explicative Production de dioxygène (UA) par un extrait cellulaire à la lumière en présence d un accepteur d électrons : le DCIP (Sans l accepteur d électrons et/ou sans lumière, il n y a pas de production de dioxygène) 10

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