B3. Activités cellulaires - Photosynthèse

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1 B3. Activités cellulaires - Photosynthèse Les cellules des angiospermes, comme tout autre cellule, réalise un grand nombre d activités cellulaires comme la synthèse de différentes molécules organiques. Toutes ces réactions biochimiques ont besoin d énergie. La molécule énergétique utilisée par les cellules est l ATP. Grâce à elle, les cellules peuvent avoir une activité biochimique variée. Le recyclage d ATP se fait par un mécanisme cellulaire particulier : la respiration cellulaire. Les plantes, aux contraires des animaux, produisent directement le sucre nécessaire à la respiration cellulaire lors d une autre activité cellulaire : la photosynthèse. è Analyser des documents Doc 8 Production d amidon dans les feuilles Deux plants de pélargonium et de Coleus sont placés à la lumière pendant 48h. L un des plants est un plant de couleur unie (les feuilles sont entièrement vertes) et l autre est un plant panaché (les feuilles présentent des zones blanches et des zones vertes). On recouvre quelques feuilles de caches partiels. Les feuilles sont ensuite passées : 1. Dans l eau bouillante (tue les feuilles) 2. Dans l alcool bouillant (dissolve le solvants) 3. Dans le lugol (se colore en bleu en présence d amidon) Doc 9 Une expérience sur l élodée L élodée est une algue très utilisée en recherche. Facile à conserver, ses feuilles ne sont composées que de deux couches cellulaires, ce qui rend l observation des cellules facilitée. Dans l expérience ci-contre, un fragment d élodée est placé dans l eau et à la lumière. Le fragment se recouvre de bulles qui remontent à la surface. Recueilli grâce à un entonnoir dans une éprouvette, ce gaz entretient les combustions. Un deuxième montage similaire est réalisé. Les végétaux sont cette fois placés à l obscurité. Aucune formation de gaz n est observée. 1) 2) Quelles conclusions peut-on tirer de ses résultats? Selon vos connaissances, quelle réaction a lieu dans ces expériences? Proposer des expériences pour le démontrer. 17

2 B3.a Anatomie d une feuille Les feuilles sont l organe de la photosynthèse. Leur structure est donc réalisée de manière à : - favoriser les échanges gazeux : des structures particulières permettent un échange gazeux facilité. - favoriser la captation de lumière. Les feuilles sont plates et de faible épaisseur (de l ordre de 1 mm) et ont une grande surface pour capter le maximum de rayons lumineux. i. Structure générale A l œil nu, la feuille, le plus souvent de couleur verte, présente plusieurs parties. Le limbe est relié à la tige par le pétiole et des nervures, prolongement du pétiole dans le limbe, sont des éléments conducteurs assurant l'approvisionnement des cellules chlorophylliennes en eau et éléments minéraux. ii. Structure interne transversale Au microscope optique, une coupe transversale de feuille présente de part et d autre une couche de cellules épidermiques. On distingue ainsi l épiderme supérieur et inférieur. Les cellules chlorophylliennes de la feuille forment un tissu nommé parenchyme. Dans le parenchyme palissadique, les cellules chlorophylliennes sont rangées «en palissade», tandis que dans le parenchyme lacuneux, elles ménagent entre elles des espaces, appelés lacunes. Des structures épidermiques particulières, les STOMATES, interrompent la continuité de l épiderme foliaire. Les stomates sont constitués de deux cellules stomatiques délimitant un orifice réglable, l ostiole. Cet orifice permet une communication directe entre l atmosphère et une chambre sous-stomatique. Les chambres sous-stomatiques se prolongent à l intérieur de la feuille par de nombreux espaces intercellulaires qui constituent une véritable atmosphère interne. Le dioxyde de carbone pénètre dans la chambre sous-stomatique par les stomates, atteint les cellules chlorophylliennes en diffusant à travers les espaces lacunaires et pénètre dans leur cytoplasme, où il se dissout. 3) Légender le schéma ci-dessus. 18

3 B3. b Les réactions photochimiques ont lieu dans le chloroplaste i. Anatomie d un chloroplaste Chez les végétaux supérieurs, les CHLOROPLASTES sont des organites ovoïdes de 1-4 µm d épaisseur et de 3-10 µm de longueur. Un chloroplaste présente trois membranes distinctes : membrane externe, membrane interne, membrane des thylakoïdes. Ces membranes déterminent trois compartiments séparés : espace intermembranaire, stroma, espace intrathylakoïdien. Les thylakoïdes ont l aspect de sacs aplatis en disques et empilés les uns sur les autres. Les membranes des thylakoïdes contiennent un pigment, la CHLOROPHYLLE. 4) Légender le schéma ci-dessus. ii. La chlorophylle è Analyser des documents Doc 10 Extraction de la solution de chlorophylle brute Découper en morceaux quelques feuilles bien vertes puis broyer ces morceaux dans un mortier avec un peu de sable afin d écraser les cellules. Ajouter progressivement 10 ml d alcool à 90, ce qui solubilise les pigments chlorophylliens. Filtrer le contenu du mortier. On obtient une solution de chlorophylle brute. Doc 11 Chromatographie Sur une bande de papier chromatographique, déposer à 2cm du bas une goutte de la solution de chlorophylle brute. Laisser sécher, puis superposer au même endroit jusqu à 10 gouttes. Verser 5 ml de solvant. Suspendre le papier chromatographique dans l éprouvette. Recouvrir d un cache et laisser l éprouvette dans l obscurité pendant 15 à 30 min. 5) Que conclure sur la nature de la chlorophylle? 19

4 SVT - TS La chlorophylle est un mélange de différents pigments1 : - chlorophylle a - chlorophylle b - xantophylles - caroténoïdes Spectre d absorption de la chlorophylle èanalyser des documents Doc 12 Fonctionnement d un spectrophotomètre (gauche) Doc 13 Spectre d absorption de la chlorophylle brute (droite) A partir d'une solution de pigments, on peut donc mesurer les caractéristiques d'absorption de la lumière en réalisant un spectre d'absorption à l'aide d'un spectrophotomètre UV visible classique, qui permet de mesurer l'absorption (A) en fonction de la longueur d'onde (l). Doc 14 Différents spectres d absorption 1 Les pigments sont des molécules qui absorbent une partie de la lumière qui les éclaire. 20

5 6) 7) 8) Quelles longueurs d onde la chlorophylle brute absorbe-t-elle majoritairement? Quel pigment est responsable de chaque pic d absorption? A quoi sert-il d absorber une part du spectre optique? 21

6 SVT - TS Les pigments sont arrangés en photosystèmes èanalyser des documents Doc 15 L excitation de la chlorophylle a pure, isolée, in vitro L absorption d un photon fait passer un électron de la molécule de chlorophylle d un état fondamental à un état excité. Le photon propulse l électron vers une orbitale où il possède d avantage d énergie potentielle (état instable). In vitro, l électron retourne immédiatement à son état fondamental en libérant de l énergie et un photon (fluorescence). La fluorescence de la chlorophylle est spectaculaire dans la mesure où les photos réémis correspondent à une longueur d onde élevée, donc de couleur rouge, qui tranche avec la couleur verte du pigment. Mais la chlorophylle a possède une autre propriété bien particulière : au lieu d être restituée au milieu, l énergie lumineuse absorbée peut être transférée à des électrons et permettre une réaction d oxydoréduction. Doc 16 Spectre d absorption des pigments de la chlorophylle brute Doc 17 Rendement photosynthétique Graphique obtenu par mesure du dioxygène libéré en fonction de la longueur d onde. Doc 18 Expérience de Engelmann Des algues filamenteuses sont mises en croissance devant un prisme. Des bactéries aérobies sont utilisées pour mesurer la présence d O2. 9) Quel est le pigment majeur de la photosynthèse? 10) Semble-t-il le seul à jouer un rôle dans la photosynthèse? Justifier. 11) Quel peut être le rôle des autres pigments? 22

7 SVT - TS Dans la membranes des thylakoïdes, les pigments sont arrangés en photosystèmes, capables de relayer l énergie de pigment en pigment jusqu au centre réactionnel du complexe, une chlorophylle a. La chlorophylle a transfert ensuite l énergie lumineuse absorbée à des électrons et permet une réaction d oxydoréduction. 23

8 B3.c RÉACTIONS BIOCHIMIQUES DE LA PHOTOSYNTHÈSE Comme la respiration cellulaire, la photosynthèse est une chaine complexe de réactions chimiques qui se déroulent à différents endroits du chloroplaste. L équation-bilan de la photosynthèse nous permet d ores et déjà de savoir que les réactions photosynthétiques impliquent une oxydoréduction. Energie + 6 CO2 + 6 H2O à C6H12O6 + 6 O2 Ces réactions peuvent être séparées en deux : les réactions photochimiques qui dépendent de la lumière et les réactions non-photochimiques. i. Cycle de Calvin è Analyser des documents Doc 19 Expériences de Calvin et Benson (1962) Des chlorelles sont maintenues en suspension à la lumière, dans un récipient où l'on fait barboter du dioxyde de carbone. Celles-ci sont refoulées dans une tubulure souple et transparente qu'elles parcourent en un temps donné grâce à une pompe dont le débit est connu. En un point variable de la tubulure, on injecte du 14 CO 2 : le temps pendant lequel les algues peuvent l'incorporer est variable selon l'endroit de l'injection. Les cellules tombent enfin dans du méthanol bouillant qui bloque instantanément toutes les réactions chimiques. Par radiochromatographie, Calvin et Benson déterminent les molécules organiques qui ont incorporé le 14 C en fonction du temps de mise en présence des algues avec le dioxyde de carbone radioactif. Doc 20 Résultat de l autoradiographie Par autoradiographie, on révèle sur du papier photographique toutes les molécules contenant du 14 C radioactif, donc formées à partir de 14 CO 2. Ici, les résultats sont présentés après 30s en présence de carbone 14. Leur position sur le chromatogramme permet d identifier les différentes molécules. On observe ici la présence de : - glucides (bleu) - acides aminés (rouge) - acides organiques (orange) 24

9 Doc 21 Autoradiographie avec t variables APG = Acide phosphoglycérique (3 atomes de C), Triose = glucide à 3 atomes de carbone, Hexose = glucide à 6 atomes de carbone, Ru-BP : Ribulose biphosphate (glucide à 5 atomes de carbone). Doc 22 Evolution des concentrations de Ru-BP et APG A t=0, le système expérimental n est plus alimenté en CO 2. 12) A partir des informations ci-dessus proposer un cycle pour la production d hexose? 13) Sachant que le carbone dans l APG est oxydé et qu il est réduit dans le triose phosphate, indiquer l étape de la réduction. 25

10 ii. Localisation des deux phases La photosynthèse est donc composée de deux phases : la première crée à proprement parlé le glucide alors que la seconde permet le recyclage des composés nécessaires à la synthèse du glucide, de l ATP et un composé réduit. è Analyser des documents Doc 23 Expériences sur le stroma Il est possible d isoler le stroma et les thylakoïdes des chloroplastes. Dans cette expérience, on place le stroma dans différentes conditions puis on teste l incorporation de CO 2 à l aide de CO 2 radioactif. Doc 24 Expérience de Gaffron Des algues unicellulaires sont cultivées en suspension. La suspension est fortement éclairée pendant au moins 10 minutes puis placée à l obscurité. L incorporation de CO 2 est mesurée à l aide de CO 2 radioactif. 14) Où se déroulent les différentes phases de la photosynthèse? 15) Sont-elles dépendantes l une de l autre? Justifier. 26

11 iii. Réactions photochimiques Les réactions photochimiques se déroulent dans les thylakoïdes. C est l endroit où l énergie solaire est transformée en énergie chimique. L énergie absorbée par les pigments des photosystèmes est transférée à des électrons et permet d établir la réaction d oxydoréduction suivante : H2O + NADP + + ADP + Pi à NADPH + H + + ATP + O2 iv. Bilan = Cycle de Calvin 1. Fixation du CO 2 Stroma NADP + 2. Réduction du CO 2 3. Régénération de l accepteur du CO 2 NADPH + H + Sortie du sucre et stockage 27

12 B3. Activités cellulaires - Photosynthèse - Récapitulation 28

13 S exercer au BAC II.b spé 5pts Algues vertes, algues rouges et photosynthèse Parmi les algues présentes en mer, entre 0 et 30 mètres de profondeur, on trouve das algues de couleur étonnante pour des végétaux autotrophes : les algues rouges. On s intéresse à ces algues que l on compare aux algues vertes. Question : A partir des trois documents fournis, vous présenterez, en comparaison avec les algues verte, les particularités pigmentaires et photosynthétiques des algues rouges et vous indiquerez en quoi ces particularités sont en relation avec le milieu de vie des algues. Document 1 Spectre d absorption et spectres d action des algues vertes et rouges 29

14 Document 2 Composition des algues étudiées en pigments et spectres d absorption de ces pigments Document 3 Profondeur de disparition des différentes radiations lumineuses dans l eau 30

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