TP 6 : La phase photochimique de la photosynthèse

Transcription

1 TP 6 : La phase photochimique de la photosynthèse Mise en situation et recherche à mener Une partie de la photosynthèse se déroule obligatoirement en présence de lumière : c est la phase photochimique de la photosynthèse. Elle conduit entre autre à la production de molécules d O 2, par oxydation de molécules d eau, H 2 0. Sachant que l oxydation d une molécule s accompagne de la réduction d une autre molécule (réaction d oxydoréduction), des biochimistes ont cherché à identifier la molécule (notée A ci-dessous) qui était réduite (sous la forme AH 2 ) lors de l oxydation de l'eau en dioxygène au sein des chloroplastes. Cette molécule joue donc le rôle d oxydant dans la phase photochimique. Certains supposaient que le CO 2 était cette molécule, conformément à l'équation bilan suivante de la photosynthèse : 6CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 On cherche, comme ces biochimistes, à savoir si c'est le CO 2 qui est réduit lors de l oxydation de l'eau, pendant la phase photochimique. Ressources Couplage de l'oxydation de l'eau et de la réduction d'une molécule au sein des chloroplastes (thylacoïdes) à la lumière - A est l oxydant ; il passe de l état oxydé (A) à l état réduit (AH2) - H20 est le réducteur ; il passe de l état réduit à l état oxydé Matériel disponible: - végétal chlorophyllien frais Matériel envisageable : - de laboratoire (verrerie, instruments ) - d observation (microscope, loupe binoculaire ) - de mesure et d expérimentation (balance, chaine ExAO ) - informatique et d'acquisition numérique Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation-problème (4 points) Proposer une démarche d investigation permettant de déterminer si, dans les chloroplastes éclairés, le CO 2 est le composé réduit lors de l oxydation de l'eau. Conseil :Rédiger une courte réponse en précisant : 1). ce que vous voulez réaliser ; 2). comment vous allez le réaliser ; 3). quels sont les résultats que vous attendez.

2 Etape 2 : Mettre en œuvre un protocole de résolution pour obtenir des résultats exploitables (8 points) Mettre en œuvre le protocole ExAO afin de montrer que, dans une suspension de fragments de chloroplastes éclairés et malgré la présence de CO 2, un oxydant intermédiaire (réactif de Hill) est nécessaire pour que la réaction d'oxydation de l'eau ait lieu. Appeler l'enseignant pour vérifier, puis évaluer la réalisation des 3 étapes de votre protocole et les résultats obtenus - étape 1 : préparation de la solution de chloroplastes - étape 2 : préparation du dispositif de mesure - étape 3 : réalisation des mesures dans les 4 conditions expérimentales successives Etape 3 : Présenter des résultats pour les communiquer Sous la forme de votre choix, traiter les résultats obtenus pour les communiquer. (5 points) Conseil : il s'agit ici de présenter les résultats obtenus sous une forme claire, scientifique et rigoureuse. Vous avez le choix de la présentation en veillant à choisir une forme pertinente. Etape 4 : Exploitation des données (3 points) Exploiter les résultats obtenus pour déterminer si le CO 2 est le composé qui est réduit lors de l oxydation de l'eau au cours de la phase photochimique.

3 Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Matériel: - des végétaux chlorophylliens frais - des ciseaux, un mortier contenant du sable, et un pilon - deux solutions tampons (trissaccharose ph 10,5 ; phosphate saccharose ph 6,5) - un entonnoir avec coton, + béchers, glaçons et papier d aluminium - une chaîne d acquisition ExAO comprenant une sonde à O 2 et un logiciel d acquisition avec sa fiche technique - une lampe - une pipette munie de la propipette - une seringue de 1mL - une seringue de 20 ml - du papier absorbant - un oxydant = réactif de Hill - des gants et une blouse Etape 1 : préparation de la solution de chloroplastes - Découper 10g de feuilles d'épinard (sans les nervures) en petits morceaux et les déposer dans le mortier sorti du réfrigérateur ; - Ajouter un peu de sable, puis verser 3 ml de solution tampon tris-saccharose ph 10,5 et broyer ; - En poursuivant le broyage, ajouter progressivement 20mL de solution tampon phosphate saccharose ph 6,5 ; le broyage doit être réalisé avec modération pendant au moins 2 minutes ; - Filtrer dans un entonnoir pourvu de coton, disposé au-dessus du bécher lui-même installé dans la glace ; - Conserver la suspension de chloroplastes ainsi obtenue à l obscurité et au froid (bécher conservé dans la glace et refermé avec du papier d'aluminium) jusqu au moment de la mesure. Remarque : le broyage des feuilles a pour effet de détruire les cellules et ainsi «libérer» les chloroplastes. Les molécules R qui assurent naturellement le rôle d'oxydant dans les chloroplastes sont rapidement détruites et donc absentes de la solution de chloroplastes. Etape 2 : Réalisation des mesures de concentration d'o2 Vous rechercherez si la solution de chloroplastes dégagent de l O 2 dans les conditions suivantes : - à l obscurité : pendant 3 minutes (de t 0 à t = 3 min) - à la lumière : pendant 3 minutes (de t = 3 min à t = 6 min) - à la lumière, en présence d un oxydant fort (réactif de Hill) : pendant 3 minutes (de t = 6 min à t = 9 min) - à l obscurité, en présence d un oxydant fort : pendant 3 minutes (de t = 9 min à t = 12 min) Protocole à suivre : - Préparer la seringue d injection en la remplissant de 0.5 ml de Réactif de Hill (½ seringue) veiller à éliminer des éventuelles bulles d'air qui apporteraient de l'o2 dans la solution! - Remplir le bio-réacteur avec environ 12 ml de votre solution de chloroplastes (à prélever avec la pipette munie d'une propipette) - Remplir l'enceinte thermostatique (qui entoure la cuve du bioréacteur) avec de l'eau froide - Vérifier l'installation correcte des capteurs (oxymètre et luxmètre) sur le couvercle de l'enceinte - Préparer le dispositif d'éclairage et paramétrer, sur le logiciel, l expérience sur 12 minutes - Mettre l agitateur en fonction et attendre l homogénéisation de la suspension par l agitateur - Lancer les mesures en respectant les conditions des 4 étapes indiquées au-dessus

4 Correction proposée Etape 1 : Stratégie proposée Je cherche à montrer que le CO2 est le composé dont la réduction est couplée à l oxydation des molécules d eau qui permet la production de molécules d O2 au cours de la phase photochimique de la photosynthèse. Pour cela, je vais réaliser des expérimentations en utilisant des solutions de chloroplastes placées à la lumière, donc dans les conditions de la phase photochimique. Je vais alors vérifier, à l aide d une sonde à O2 (ou oxymètre), que cette solution de chloroplastes peut produire de l O2 ce qui indiquera que les molécules d H2O sont oxydées et donc qu un composé a été réduit. Je vais utiliser plusieurs solutions de chloroplastes : solution 1 : une solution de chloroplastes dépourvue de CO2 et de tout composé oxydant ; solution 2 : une solution de chloroplastes contenant en plus du CO2 ; solution 3 : une solution de chloroplastes dépourvue de CO2 mais contenant un autre oxydant. Si on observe un dégagement d O2 avec la solution 2 mais aucun dégagement d O2 avec les deux autres solutions, je pourrai en déduire que le CO2 est le composé qui est réduit au cours de cette étape. Si on observe au contraire un dégagement d O2 avec la solution 3 mais aucun dégagement d O2 avec les deux autres solutions, je pourrai en déduire que le CO2 n est pas le composé qui est réduit au cours de cette étape. Normalement, aucun dégagement d O2 ne doit être mesuré avec la solution 1. Etape 3 : évolution de la production de O2 d une solution de chloroplastes placées dans différentes conditions source :

5 Etape 4 : Exploitation des résultats Je constate que en présence de CO2 et de lumière, les chloroplastes n ont pas produit d O2. La production d O2 est observée uniquement si la solution de chloroplastes se trouve à la lumière et en présence du réactif de Hill. Or nous savons que la production d O2 se réalise par oxydation des molécules d H2O qui est couplée à la réduction de composés. On en déduit donc que ce n est pas le CO2 qui est réduit car dans ce cas nous aurions mesuré un dégagement d O2 lorsque la solution de chloroplastes était placée à la lumière (soit entre 120 et 240 secondes). Nous pouvons préciser que le composé réduit est ici assuré par le réactif de Hill.