CHAPITRE I /ENERGIE ET CELLULE VIVANTE/ La PHOTOSYNTHESE :

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1 CHAPITRE I /ENERGIE ET CELLULE VIVANTE/ La PHOTOSYNTHESE : PREAMBULE: Structure tridimensionnelle d une feuille : Rappel : anatomie d une plante verte : -> Schéma d interprétation 3D : (à légender) TP : STOMATES - Répartition des stomates et échanges avec l atmosphère. (houx_ fiche tp) Réalisation et observation simultanée de 2 préparations microscopiques + dessin ou numérisation traitement d'image. Un pigment indispensable : la chlorophylle : Les végétaux verts possèdent des cellules chlorophylliennes capables de convertir l énergie lumineuse en énergie chimique.

2 TP annexe [photosynthèse_chromato] ou: TP : On peut extraire les pigments des feuilles par broyage dans l alcool puis les visualiser et les séparer par chromatographie (séparation par migration sur un support solide ou gazeux des substances d un mélange par différence de masse, de solubilité ou d affinité avec le solvant). (p. 22). Le résultat obtenu montre la présence de plusieurs pigments : Papier Wattman Dépôt Solvant ocarotène (jaune/orange) oxanthophylles (jaune) ochlorophylle a (verte) ochlorophylle b (verte) TP : Spectroscope. Utilisation du spectroscope : Document aide 2p23. Cet appareil permet d observer le spectre d émission de la lumière blanche. Un faisceau de lumière blanche traverse un prisme qui décompose cette lumière blanche en un spectre de radiations colorées dont la longueur d onde est comprise entre 400 et 700 nm. Observer le spectre de la lumière blanche à l aide d un spectroscope à main. Décrire le résultat. Intercaler sur le trajet des rayons lumineux une cuve remplie de solution de chlorophylle brute. Décrire le résultat et conclure. Utilisation du spectrophotomètre : Document aide 2p23. Cet appareil permet de mesurer, pour différentes radiations lumineuses, la quantité de lumière transmise après la traversée de la solution de chlorophylle brute. Suivre les instructions de la notice d utilisation. Mesurer l absorbance en prenant une longueur d onde de 400nm puis 420 ; 440 jusqu à 700 nm. Construire le graphique de l absorption en fonction de la longueur d onde. Docs : Page suivante Spectre d action de la chlorophylle :

3 Questions : Pourquoi les plantes chlorophylliennes sont-elles vertes? Comparer les spectres d'action de la photosynthèse et d'absorption des pigments afin de montrer que les pigments photosynthétiques interviennent dans la photosynthèse. Quel peut-être l avantage de posséder plusieurs pigments? Remarque : Les membranes photosynthétiques contiennent d'autres pigments, en particulier : les caroténoïdes les phycobilines (phycoérytthrine et phycocyanine) Comme les chlorophylles, ces molécules possèdent une série de doubles liaisons conjuguées qui leur permettent d'absorber la lumière visible. (Voir les différentes plantes concernées : Leurs pics d'absorbance sont complémentaires de ceux des chlorophylles. Une propriété fondamentale : La chlorophylle est capable de transférer l énergie reçue par un photon à un électron. Cet électron est utilisable dans une réaction d oxydo-réduction : e - à haut potentiel énergétique énergie chimique : H2O + R -> RH2 ADP + Pi -> ATP e - de la Chlorophylle a (faible potentiel énergétique) Formule semi-développée de la chlorophylle (pour info) :

4 RECHERCHE : Comment la chlorophylle piège-t-elle la lumière? Mettre en évidence la photosynthèse. Chloroplastes et photosynthèse. La fixation du CO2 et la synthèse moléculaire. De l énergie lumineuse à l énergie chimique. Problématiques du chapitre: I) Mise en évidence de la production de matière organique : Activité 1 : la production de matière organique : Protocole p. 14. Que cherche-t-on par le test à l eau iodée? Comment interpréter la différence de coloration entre les deux dispositifs (mise à la lumière et mise à l obscurité). TP : Synthèse et stockage d'amidon dans le tubercule de pomme de terre (fiche tp amidon) [Tests biochimiques + préparation et observation microscopique + dessin simplifié] Remarque : [L amidon est une macromolécule glucidique présente dans les organes de réserve comme le tubercule de pomme de terre. Il constitue une forme de stockage du glucose et où il peut être caractérisé in situ avec une goutte de lugol. L amidon est un polymère du glucose : sa synthèse consiste en une polymérisation du glucose : n C6H12O6 => (C6H10O5)n + (n-1)h2o avec 5 000<n< Il s'agit d'un polyoside de structure moléculaire proche de celle du glycogène, forme de stockage du glucose rencontrée chez les animaux. Cf. Part. 3] Structure simplifiée de l amidon.

5 COURS : La production de matière organique par des cellules En comparant des cellules chlorophylliennes ayant été exposées à la lumière à des cellules identiques placées à l'obscurité, on constate que les premières sont plus intensément colorées par l'eau iodée : ces cellules chlorophylliennes ont donc produit de l'amidon pendant leur exposition à la lumière, contrairement à celles qui étaient à l'obscurité. Rappelons que l'amidon est un glucide complexe, formé par l'association d'un très grand nombre d'unités élémentaires de glucose (C6H12O6). Activité 2 : Les échanges gazeux au cours de la photosynthèse : dispositif EXAO. Matériel : Euglènes (algues unicellulaires flagellées). Dispositif EXAO On mesure la consommation de CO2 dans l enceinte sur quelques minutes ainsi que la production d O2 pendant quelques minutes. Les résultats obtenus sont les suivants : Quelle est la relation entre les deux graphiques, au regard de vos connaissances sur la photosynthèse. Cours : Les échanges gazeux caractéristiques de la photosynthèse L'équation-bilan simplifiée de la fabrication d'une molécule de glucose par photosynthèse s'écrit ainsi : 6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6O2 Si la mise en évidence de la production de glucides est relativement aisée, sa quantification est beaucoup plus difficile. En revanche, il est tout à fait possible de mesurer en temps réel la teneur en dioxyde de carbone et en dioxygène d'une enceinte contenant des cellules chlorophylliennes. Ainsi : - une baisse de la concentration en dioxyde de carbone signifie que les cellules ont absorbé ce gaz, matière première utilisée pour la synthèse des glucides ; - une augmentation de la concentration en dioxygène signifie que les cellules ont produit ce gaz, conséquence de leur activité photosynthétique. Activité 3 : Les organites de la photosynthèse : les chloroplastes. Chloroplastes dans des cellules végétales de Plagiomnium observées au microscope optique (coloration à l eau iodée) :

6 On distingue de nombreuses structures dans la cellule : ce sont les chloroplastes. Dans chaque chloroplaste, on trouve des inclusions plus sombres d amidon. Chloroplaste vu au MET (x ) : Schéma montrant la structure d un chloroplaste : STRUCTURE DU CHLOROPLASTE Le chloroplaste est un organite spécifique des cellules végétales, probablement issu d un événement d endosymbiose d une cyanobactérie par une cellule eucaryote primitive. Le chloroplaste est en effet séparé du cytoplasme par une double membrane, deux membranes séparées par un espace intermembranaire. À l intérieur, le chloroplaste est constitué d un empilement de thylacoïdes, qui baignent dans le stroma (le liquide intrachloroplastique). Recherche : quel est le pigment responsable de la couleur verte des végétaux pratiquant la photosynthèse (nom ; représentation moléculaire ; localisation)? Questions : Indiquez les différentes parties du chloroplaste sur la photographie au MET. Dans quelle partie de la cellule se trouvent les grains d amidon? En quoi la structure du chloroplaste favorise-t-elle la photosynthèse? COURS : Les chloroplastes : Dans des cellules chlorophylliennes éclairées depuis plusieurs heures, on peut mettre en évidence la présence d'amidon dans de petits organites cytoplasmiques, les chloroplastes. Ce n'est en revanche pas le cas dans des cellules chlorophylliennes restées à l'obscurité. La photosynthèse a donc bien lieu dans ces organites. Observés au microscope optique, les chloroplastes se présentent sous forme de petits organites en général ovoïdes. de quelques micromètres de longueur, présents par dizaines dans chaque cellule chlorophyllienne. Leur couleur verte est due aux pigments chlorophylliens que ces organites renferment. L'observation des chloroplastes au microscope électronique à transmission (MET) montre que ceux-ci sont limités par deux membranes. L'intérieur de l'organite est rempli d'un gel hydraté, le stroma, qui contient de nombreuses molécules dissoutes : nous verrons qu'il est le siège des réactions chimiques de synthèse des glucides. Il n'est d'ailleurs pas rare d'observer des grains d'amidon plus ou moins développés inclus dans le stroma.

7 Le chloroplaste est par ailleurs parcouru par un réseau de membranes formant des sacs clos aplatis, les thylakoïdes qui constituent par endroits des empilements ou granums. C'est dans l'épaisseur de ces membranes que sont inclus les pigments chlorophylliens. Activité 4. : LA PHASE CHIMIQUE DE LA PHOTOSYNTHESE : La photosynthèse est le processus qui permet aux plantes d'utiliser l'énergie de la lumière pour fabriquer, à partir du gaz carbonique, les glucides qui seront la matière première de toute la substance vivante. C est par l expérience que l incorporation du CO2 aux plantes vertes pour produire des molécules hydrocarbonées (CH) riches en énergie comme le glucose (C6H12O6) a été décrite. Ce sont les expériences de Calvin (1952) et Bassham et Calvin (1959) qui ont permis de connaître la nature du premier composé carboné formé par la photosynthèse. Expérience de Calvin, protocole expérimental. En fonction du débit de la pompe, on est capable très précisément de calculer le temps pendant lequel les chlorelles situées dans le serpentin ont été en contact avec le CO 2 radioactif avant d'être fixées par le méthanol bouillant. Après incubation pendant un temps variable en présence de C0 2 à la lumière, la suspension de chlorelles est fixée rapidement par l'éthanol bouillant Cet extrait est traité de la manière suivante : séparation des constituants par chromatographie bidimentionnelle à l'aide de deux mélanges successifs (1- eau/phénol puis 2-butanol/acide propionique) ; révélation du chromatogramme par différents colorants spécifiques (acides organiques par le bleu de bromophénol, acides aminés par la ninhydrine, sucres par le naphtorésorcinol et composés phosphorylés par le molybdate d'ammonium). Expérience de Calvin chromatographie bidimensionnelle des

8 composés. Une chromatographie bidimensionnelle après révélation permet de séparer les différentes substances solubles présentes dans un extrait. (Cette image n'est pas une chromatographie originale mais un schéma explicatif). Des chromatogrammes non colorés sont placés contre un film photographique à l'obscurité. Après un temps d'exposition, le film est révélé. Les taches indiquent la présence des composés radioactifs qui se sont formés. La comparaison des chromatogrammes colorés et des chromatogrammes révélés par autoradiographie permet de savoir quels produits ont été synthétisés au cours du contact avec le 14 CO 2. Expérience de Calvin chromatographie et autoradiographie des composés formés. Trois autoradiographies de chromatogrammes réalisés sur des extraits de chlorelles mis en contact avec le CO 2 radioactif pendant 5, 10 et 30 secondes (Ces images ne sont pas des autoradiographies originales mais des schémas explicatifs). On constate qu'après moins de 5 secondes, c'est un composé en C3, l'apg ou acide PhosphoGlycérique qui est le premier composé formé. Ensuite, ce sont des oses bis-phosphates dont un sucre en C5, le Ribulose bis-phosphate ou RUBP) puis la plupart des sucres (trioses phosphate, saccharose,...), des acides organiques (malate,...) et des acides aminés (glycine,...) qui sont marqués. L'acide phosphoglycérique (APG) est le premier composé formé et donc est à l'origine de toutes les synthèses. On pourrait donc s'attendre à ce que l'accepteur du CO 2 soit un composé en C5. Or un pentose (C5) bisphospate (le RUBP ou Ribulose bis-phosphate) peu connu apparait rapidement dans les radiochromatogrammes. C'est donc lui l'accepteur de CO 2. L'acide phosphoglycérique (APG), premier composé formé, n'est pas un sucre. Pour entrer dans les réactions de synthèse des composés organiques, il doit être réduit en trioses phosphate (ald PG ou aldéhyde phospho glycérique) qui apparaissent effectivement rapidement dans les radio-chromatogrammes. Pour que l'ensemble fonctionne, il faut que le RUBP (qui existe en faible quantité) soit régénéré et ceci ne peut se faire qu'à partir des composés dérivés des trioses phosphate. L'incorporation du CO 2 se réalise donc de la manière suivante, en trois phases : Ceci peut se résumer par un cycle : le cycle de Calvin et Benson. Ce cycle comporte trois étapes : 1 - l'incorporation du CO 2 dans le RuBP, 2 - la réduction de l'apg en trioses phosphate, 3 - la régénération du RUBP. Les trois phases du Cycle de Calvin Inspiré de manuel SVT Belin de TS- programme 2012

9 3 CO 2 Groupes carbonés Phosphate 3 ribulose 1,5 biphosphate (RuBP)-C3P2-3 ADP 3 ATP 2 Pi 3: régénération du RuBP Rubisco 1: fixation du CO2 2: réduction phosphoglycérate (APG) 6 ATP 6 ADP 6 RH 2 6 R 6 Pi 5 C3P 6 3-glycéraldéhyde 3- phosphate (C3P) 1 C3P Glucose En résumé : Pour fonctionner, le cycle nécessite des intermédiaires énergétiques (ATP et RH2) produits par la phase photochimique. Le cycle comporte trois étapes essentielles : l'incorporation proprement dite du CO2, la réduction de l'apg en trioses, puis la régénération du RUBP à partir d'une fraction des trioses formés. Question : A partir du doc. 3 page 19, montrez que le cycle de Calvin dépend de l apport extérieur en CO2. Activité 5 : LA PHASE PHOTOCHIMIQUE DE LA PHOTOSYNTHESE : La production de matière organique demande une hydrogénation du CO2 incorporé par la plante au niveau du Cycle de Calvin ; on peut supposer qu il existe donc une molécule assurant cet apport d H2. On appellera cette molécule RH2. L expérience de Hill : L'HYPOTHÈSE DE HILL : En 1937, Hill émet l'hypothèse que la première étape de la photosynthèse est globalement une oxydoréduction entre l'eau et une substance oxydante, appelée ici «R» : 2H 2 0 => O2 + 4H + + 4e - 2RH 2 => 2R + 4H + + 4e - Cependant, d'après les valeurs des potentiels redox, l'oxydoréduction : 2H2O + 2R => 2RH2 + O2 est une réaction qui n'est pas spontanée : elle exige un apport d'énergie. Hill émet l'hypothèse que c'est l'énergie lumineuse captée par la chlorophylle qui permet cette réaction. TP : PROTOCOLE Expérimental À l'aide d'un dispositif expérimental assisté par ordinateur, il est possible de réaliser une expérience similaire à celle réalisée par Hill. Extraction des chloroplastes - Peser 10 g de feuilles fraîches d'épinard ou de lis, les découper en morceaux dans un mortier préalablement placé au réfrigérateur. - Ajouter 10 à 25 ml de solution tampon* (destinée à maintenir le ph) et broyer pendant au moins 2 minutes. - Filtrer le broyât obtenu, presser si nécessaire pour recueillir suffisamment de filtrat. - Contrôler au microscope optique la présence de chloroplastes. Remarque* : cette solution tampon ne contient pas de CO2 La réaction de Hill s'effectue sans apport de CO2. Réalisation de l'expérience : - Concevoir un protocole expérimental montrant que la production de dioxygène exige à la fois de la lumière et une substance oxydante, le «réactif de Hill». Qu'est-ce que le «réactif de Hill»? Lors de l'extraction, le composé «R», oxydant naturellement présent dans les chloroplastes, se retrouve en quantité insignifiante dans le filtrat. Dans l'expérience, on utilise une solution d'hexacyanoferrate de potassium (le «réactif de Hill») qui est susceptible de jouer le rôle d'oxydant.

10 Résultat : Par un raisonnement rigoureux, déduisez de cette expérience le rôle des thylakoïdes. Proposez une interprétation des résultats de l'expérience de Gaffron. (p. 20 Bordas) Interprétez ces résultats à l'aide du cycle de Calvin. (p.19 Bordas) Que montre l'expérience de Hill? Précisez l'origine du dioxygène rejeté et le rôle que l'on peut attribuer à la lumière. COURS : La photosynthèse ; Un phénomène en deux phases Différentes expériences ont permis de déterminer que la photosynthèse se déroule en deux phases principales. La phase photochimique se déroule dans les thylakoïdes Exposés à la lumière, ceux-ci produisent des composés hydrogénés, que l'on note, par simplification, RH2 et de l'atp, une molécule fournissant l'énergie nécessaire aux réactions de biosynthèse. La phase chimique se déroule dans le stroma. Elle consiste en une réduction chimique du dioxyde de carbone en molécule organique. Ces réactions nécessitent les composés hydrogénés RH2, qui apportent l'hydrogène nécessaire, et de l'atp, qui fournit l'énergie. Ces deux phases sont donc couplées : même si la phase chimique n'exige pas directement la lumière, elle en est tributaire et c'est bien lorsque des cellules chlorophylliennes sont exposées à la lumière que se déroulent conjointement les deux phases de la photosynthèse. LA PHOTOSYNTHESE BILAN Les cellules chlorophylliennes effectuent la photosynthèse Grâce à l'énergie lumineuse, les cellules chlorophylliennes produisent des molécules organiques, telles que le glucose (qui, polymérisé, constitue l'amidon), à partir de dioxyde de carbone et d'eau. L'équation-bilan de la photosynthèse peut donc s'écrire : 6 CO2 + 6 H2O => C6H12O6 + 6 O2. Il est possible de mettre en évidence une activité photosynthétique par la production de molécules organiques, par la consommation de dioxyde de carbone ou encore par le rejet de dioxygène. Les chloroplastes sont les organites dans lesquels se déroule la photosynthèse La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes, organites qui doivent leur couleur verte à la chlorophylle qu'ils renferment. Le stroma du chloroplaste est un gel contenant les enzymes nécessaires à la production des molécules organiques (on peut y observer des grains d'amidon). Le chloroplaste renferme un important réseau de membranes internes formant des sacs clos aplatis, les thylakoïdes. C'est dans la membrane des thylakoïdes que sont situés les pigments chlorophylliens. Un phénomène en deux phases La photosynthèse se déroule en deux phases distinctes mais couplées : - la phase photochimique, directement dépendante de la lumière, au cours de laquelle sont produits des composés réduits RH2 et de l'atp. - la phase chimique, au cours de laquelle RH2 et ATP, précédemment formés, sont utilisés pour la réduction du CO2 en molécules organiques. La phase photochimique se déroule dans les thylakoïdes La phase photochimique correspond à une oxydoréduction entre l'eau et les composés R : 2 H2O + 2 R => 2 RH2 + O2 Cette réaction est réalisée au niveau des thylakoïdes et nécessite de l'énergie chimique. C'est la chlorophylle a qui rend possible cette réaction, en convertissant l'énergie lumineuse absorbée par les pigments chlorophylliens en énergie chimique. La phase chimique se déroule dans le stroma Au cours de réactions constituant le cycle de Calvin, du glucose est produit par incorporation du CO2 en utilisant les produits (RH2 et ATP) de la phase photochimique. Le CO2 est d'abord fixé sur un accepteur à cinq atomes de carbone qui est régénéré en permanence.

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12 INTRODUCTION Etre vivant à respire, se nourrit, se déplace, se reproduit. Une ou +sieurs cellules. Dans l écosystème : RESEAU TROPHIQUE : relations alimentaires Premier maillon des chaînes alimentaires = être vivant chlorophyllien. TRANSFERT de MATIERES ET D ENERGIE. Expérience Feuille de Pélargonium OBSERVATION Feuille non cachée àentièrement éclairée : coloration bleue-nuit Feuille entièrement cachée : à obscurité : feuille présentant une coloration jaune orangée INTERPRETATION Rappel : Eau iodée est un réactif coloré. Il met en évidence l amidon en prenant une coloration bleue-nuit. Présence d amidon Pas de présence d amidon. Feuille partiellement cachée : à éclairage partielle de la feuille : seules les parties de la feuille éclairée prennent une coloration bleue-nuit Présence d amidon uniquement dans les zones éclairées. Conclusion : La lumière est utilisée par les organismes chlorophylliens pour synthétiser de la matière organique au cours de la photosynthèse. I Les conditions de la photosynthèse * Observation de cellules d Elodée : montage dans l eau et montage dans eau iodée. Croquis d observation Analyse des documents 2 et 3 p. 15 OBSERVATION INTERPRETATION Doc. 2 : Graphique montrant l évolution de la quantité de CO2 en fonction du temps chez une algue unicellulaire chlorophyllienne, l euglène. La quantité de CO2 diminue au cours du temps : elle passe de 13 mg.l -1 à 2 mg.l -1 en 13 minutes Les euglènes, lorsqu elles sont éclairées, absorbent le CO2. Doc. 3 : Graphique montrant l évolution de la quantité de O2 en fonction du temps. De 0 à 3minutes, la quantité de O2 augmente : elle passe de 3 mg.l -1 à 5 mg.l -1 en 3 minutes (x 1,7 environ) Les euglènes, lorsqu elles ont éclairées, rejettent du dioxygène. A partir de 3 minutes, on ajoute du NaHCO3, source de CO2. La quantité de O2 augmente de façon plus importante : elle passe de 5mg.L -1 à 15 mg.l -1 en 7 min (x3) L addition de CO2 dans le milieu entraîne un rejet plus important de O2, traduisant une activité photosynthétique plus importante. Conclusion : Au cours de la photosynthèse, les végétaux chlorophylliens produisent de la matière organique. Cette synthèse s accompagne d une consommation de CO2 et un rejet de O2. * Observation de l épiderme de poireau Cellules stomatiques Croquis d observation * Bilan chimique de la photosynthèse Localisation précise de la photosynthèse à l échelle cellulaire Identification du parcours des éléments chimique C et O au cours de la photosynthèse Equation globale de la photosynthèse Les feuilles sont des organes spécialisés dans la réalisation de la photosynthèse. Le tissu photosynthétique est constitué de plusieurs couches de cellules chlorophylliennes. Chaque cellule chlorophyllienne contient de nombreux chloroplastes où a lieu la photosynthèse. Les stomates permettent les échanges gazeux entre l atmosphère interne de la feuille et l air environnant. La photosynthèse consomme du CO2 et de l eau et produit de l O2 et des glucides selon l équation bilan suivante : Réduction des atomes de carbone du CO2 ENERGIE 6 CO H2O --> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O LUMINEUSE Oxydation des atomes d oxygène de l eau II Le chloroplaste, organite clé de la photosynthèse

13 Organisation fonctionnelle du chloroplaste à livre, p. 17 Extraction de la chlorophylle : spectre d absorption à comportement des pigments chlorophylliens à la lumière Chromatographie de la chlorophylle : séparation des pigments chlorophylliens. Doc. montrant la correspondance entre spectre d action photosynthétique et spectre d absorption des pigments chlorophyllien Le chloroplaste est un organite cellulaire compartimenté par des systèmes membranaires. Il contient de nombreux thylacoïdes (sacs aplatis baignant dans un stroma liquidien). Certains thylacoïdes sont regroupés en empilements ou grana. Les feuilles contiennent une diversité de pigments : la chlorophylle a, la chlorophylle b, des xanthophylles et des caroténoïdes. Ces pigments sont localisés dans la membrane des thylacoïdes. Ces pigments absorbent principalement la lumière bleue et rouge (explique la coloration verte des feuilles). La correspondance entre le spectre d action photosynthétique et le spectre d absorption des pigments chlorophylliens montre que les longueurs d onde absorbées sont utilisées pour la photosynthèse. III Les mécanismes de la photosynthèse Conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique L'expérience du document 4 montre que dans une suspension de chloroplastes lésés, la réduction du DCIP ne se produit qu'à la lumière. Comment? Le document 3 nous montre que les photosystèmes (pigments chlorophylliens + protéines) des thylacoïdes sont constitués d'antennes collectrices et d'un centre réactionnel. Lorsque la plante chlorophyllienne est éclairée, les antennes collectrices des photosystèmes absorbent le rayonnement lumineux. L'énergie de ce rayonnement est alors transmise jusqu'à une molécule de pigments chlorophylliens (ici la chlorophylle a) du centre réactionnel. Cette molécule de pigment chlorophyllien est désignée sous le terme de chlorophylle piège. Ainsi, la chlorophylle piège se trouve dans un état excitée par l'énergie du rayonnement lumineux. La chlorophylle piège perd alors un électron au profit d'une chaîne d'oxydo-réduction localisée dans la membrane des thylacoïdes : la chaîne photosynthétique. L'accepteur final de ces électrons est un oxydant R (DCIP dans le document 4, Fe 3+ du réactif de Hill) soluble dans le stroma qui est réduit en RH2. Comment la chlorophylle piège, qui est dans un état excitée et a perdu un électron, retourne à son état initial? La chlorophylle ionisée (suite à la perte d'un électron) retrouve son état initial grâce à l'oxydation de l'eau (restituant ainsi un électron à la chlorophylle ionisée) qui produit du O2. Ainsi au cours de la phase photochimique (lumière indispensable), l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique. Quels sont ces produits? L'analyse du document 1 montre plusieurs choses. Ainsi à l'obscurité, on observe une quantité importante d'atp : 50 mmol.mg -1 pour une quantité de 15 mmol.mg -1 d'adp dans un feuille d'avoine. A la lumière modéré ou forte, on observe une forte augmentation de la quantité d'atp (60 à 70 mmol.mg -1 ) et une diminution de la quantité d'adp (5 mmol.mg -1 ). On peut en déduire que l'énergie lumineuse permet aux chloroplastes de produire de l'atp, suite à la phosphorylation de l'adp, molécule riche en énergie chimique. De même, le second graphique montre que la quantité d'oxydant R chute lorsque la feuille est éclairée : de 15 mmol.mg -1 à 5 mmol.mg -1. L'énergie lumineuse est également convertie en énergie chimique présente dans le composé réduit RH2. Quels sont les évènements se déroulant au cours de la phase photochimique permettant notamment la synthèse d'atp? Les expériences historiques de Jagendorf (doc. 4) montre que la synthèse d'atp est importante lorsqu'il existe une différence de ph entre le stroma (ph basique) et l'espace délimité par les thylacoïdes (le lumen - ph acide). Pourquoi? Le flux d'électron dans la chaîne photosynthétique permet, en plus de la synthèse de composées réduits RH2, la translocation des protons (H + provenant de l'oxydation de l'eau) du stroma vers le lumen. L'accumulation des protons dans le lumen entraîne une diminution de ph : l'éclairement s'accompagne donc d'une diminution du ph du lumen. Ce gradient de ph entre le stroma et le lumen constitue une forme de stockage d'énergie. Les ATP-synthase, enzyme de la membrane des thylacoïdes assurant la phosphorylation de l'adp en ATP) canalisent le retour des protons vers la stroma. Ce flux de protons à travers l'atp-synthase permet la phosophorylation de l'adp en ATP, transférant ainsi l'énergie lumineuse dans l'atp, énergie chimique. Au cours de la phase photochimique, l'énergie lumineuse est donc bien convertie en énergie chimique sous deux formes ; o des composées réduits RH2, possédant un fort pouvoir réducteur ; o des molécules d'atp, dont l'hydrolyse peut libérer une grande quantité d'énergie. Une deuxième phase : la phase chimique La phase chimique peut être divisée en trois étapes dans le stroma : Fixation du CO2 sur la RuBP (Ribulose 1,5 biphosphate) à l'origine de l'apg grâce à la Rubisco (enzyme) ; Réduction de l'apg en G3P dont une partie est utilisé pour la synthèse des glucides consommant de l'atp et du RH2 ; Régénération de la RuBP à partir de la C3P issu de la réduction de l'apg, consommant de l'atp. Quels sont les arguments expérimentaux en faveur de chacune de ces étapes? L'expérience de Calvin (doc. 1) montre que les premières molécules où se trouve incorporé le 14 C sont l'apg, la RuBP et le glucose. Ensuite de nouvelles molécules organiques sont synthétisées. Les doc. 2a et 2b montrent que l'incorporation du 14 C nécessite que les thylacoïdes soient éclairés au préalable ou, à défaut, présence d'atp et de RH2. Au cours de la phase photochimique, sont produit l'atp et les composés RH2 apparemment nécessaire à l'incorporation du CO2. Le doc. 3 montre que la quantité de 14 C dans le glucose augmente au cours du temps indépendamment de l'éclairement. Lorsque la culture de chlorelle est éclairé, on observe que la quantité de 14 C incorporé dans l'apg et la RuBP est constante. Lorsque la culture de chlorelle est mis à l'obscurité, on observe que la quantité dde 14 C incorporé dans l'apg augmente alors que la quantité de 14 C incorporé dans la RuBP diminue. La constance de l'incorporation du 14 C pendant la phase lumineuse suggère que la synthèse de RuBP et d'apg sont liés. Ceci est confirmé lorsque la culture n'est plus éclairé. La diminution de la RuBP s'explique par la fixation du 14 C avec production d'apg ont la quantité augmente. L'absence de RH2 et d'atp (produits lors de la phase lumineuse) entraîne l'arrêt de la fixation du CO2 suite à la non régénération de la RuBP.

14 Au cours de la photosynthèse, la phase chimique produit du glucose à partir du CO2 en utilisant les produits de la phase photochimique.

15 Hyp : la chlorophylle absorbe les photons de la lumière et convertit l énergie lumineuse pour permettre la photolyse de l eau et les oxydoréductions mises en évidence précédemment. 2. La lumière, source d énergie de la photosynthèse est captée par la chlorophylle. TP BAC : TP : Extraction de la chlorophylle + spectroscope a) Extraction de la chlorophylle brute. L extraction des pigments peut se réaliser sur différents types de feuilles de plantes supérieures et aussi sur des thalles d'algues, quelle que soit leur couleur apparente due à des pigments supplémentaires. Protocole : 1 page 196. b) Sépar.ation des pigments chlorophylliens. Démonstration : séparation des pigments dans une ampoule à décanter. Cette expérience montre que les pigments (verts et jaunes : chlorophylles et caroténoïdes) sont solubles dans les solvants organiques. Pigments Xanthophylles La solution se sépare en 2 phases : La phase éthérée, verte, contient la plupart des pigments et la phase hydro-alcoolique (ou hydro-acétonique), jaune, une partie des xanthophylles seulement. Elle permet de recueillir une solution très propre permettant de réaliser un spectre ou une chromatographie. Cette expérience peut être réalisée chez toutes les plantes "vertes", même chez celles dont les feuilles apparaissent colorées en rouge violet. Avec une feuille de prunus à feuilles rouges, les solutions d'extraction (hydro alcoolique ou hydro acétonique) apparaissent vert jaune. La séparation montre une phase éthérée bien verte (elle contient les pigments solubles dans les solvants organiques, chlorophylles et caroténoïdes) et une phase hydro alcoolique (ou hydro acétonique), rouge violacée qui contient outre un peu de xanthophylle, des pigments anthocyaniques solubles dans l'eau. Remarque : les couleurs variées de ces types de feuilles sont dues aux proportions relatives des différents types de pigments (chlorophylles et caroténoïdes) et anthocyanes, ces dernières pouvant varier du rouge au bleu. Principe : la chromatographie consiste à entraîner des molécules par un solvant sur un support (papier ou gel de silice). Sur un support donné et avec un solvant donné, chaque pigment possède une vitesse de déplacement qui lui est propre. Manipulation : séparation par chromatographie. Suivez le protocole page 196 pour la réalisation. Résultats : Chromatographie sur papier : on dépose une goutte de pigments bruts sur une feuille de papier. On place la feuille de papier dans un récipient hermétique dans lequel on a placé un solvant approprié. Le solvant monte dans la feuille par capillarité en entraînant les pigments de manière différentielle selon leur affinité avec le solvant. On peut distinguer ainsi deux catégories principales de pigments : les chlorophylles (vertes) et les caroténoïdes (jaunes).

16 c). Spectre d absorption de la chlorophylle brute. Principe : Doc 3 page 197. Manipulation : analysez le spectre d absorption de votre chlorophylle brute, puis des pigments séparés dans l ampoule à décanter, à l aide su spectroscope. Résultats : (3 page 197) Les chlorophylles et les caroténoïdes absorbent certaines radiations dites actives pour la photosynthèse, dans la gamme de longueurs d'onde visibles comprises entre 400 et 700 nm. L'absorption maximale se réalise - dans le bleu (< 500nm) et - dans le rouge ( nm). 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 en fonction de la longueur d'onde. A : Spectre de la lumière blanche. B : Spectre d absorption de la chlorophylle brute (mélange de pigments) La réalisation de la photosynthèse par les chloroplastes des végétaux met en jeu un ensemble de molécules particulières, nommées pigments photosynthétiques. Le terme de "pigment" correspond au fait que ces molécules sont colorées, de part leur capacité à capter certaines radiations lumineuses. Ces pigments sont de trois types : (structures hors programme) Les chlorophylles, présentes chez tous les végétaux autotrophes au carbone. Les chlorophylles sont constituées : d'un noyau tétrapyrrolique avec un magnésium en son centre, et estérifié avec un alcool à très longue chaine en C 20 (le phytol). Dans la membrane des thylakoïdes, les chlorophylles sont associées à des protéines et forment des complexes protéines/pigments.

17 Les caroténoïdes, présents chez tous les végétaux autotrophes au carbone. Les caroténoïdes sont des molécules constituées de 40 carbones, avec deux extrémités cyclisées reliées par une longue chaîne de 8 unités isoprènes. Spectres d absorption : (5 page 197) Les chlorophylles et les caroténoïdes absorbent certaines radiations dites actives pour la photosynthèse, dans la gamme de longueurs d'onde visibles comprises entre 500 et 700 nm. Les phycobilines, présents exclusivement chez les algues et les cyanobactéries. d). Action des radiations lumineuses sur la photosynthèse : le spectre d action. (page 198/199). Expérience historique d Engelman (exercice 2 page 213)(voir sujet BAC) Animation : L établissement des spectre d action, de la photosynthèse correspond à l efficacité photosynthétique en fonction des longueurs d ondes. On remarque que ce spectre correspond au spectre d absorption des pigments chlorophylliens. Ce sont les chlorophylles qui semblent les plus efficaces, complétées par l action des carotènes.

18 La photosynthèse nécessite donc l absorption de certaines longueurs d ondes grâces aux pigments chlorophylliens. : Exercice 3 page 213. voir rubrique «exercice et correction» Comportement des chlorophylles à la lumière. Des expériences pour aller plus loin. Lorsqu'on observe une solution de chlorophylle (o même un extrait de pigments bruts), on constate que, par transparence, la solution apparaît verte. Cette couleur est due au fait qu'elle absorb radiations bleues et rouges et ne laisse passer que les radiations jaunes et vertes. Si on regarde le tube de côté, la solutioapnparaît rouge. Ce phénomène devient rem ar l'obscurité, on éclaire le tube par de la lumière ultraviolette, l'ensemble de la solution devient rouge vif. La solution de chlorophylle, extraite de la pla réagit à une excitation lumineuse par l'émission d'une lumière rouge (fluorescence). Que se passe-t-il lorsque cette molécule se trouve dans ses conditions naturelles? Dans les conditions naturelles, la chlorophylle transmet cette énergie à d'autres molécules et retourne à l'état initial. La réduction du dioxyde de carbone nécessite de l'énergie. Quelle relation peut-on faire entre l'absorption de la lumière et l'acquisition d'un pouvoir réducteur par les cellules chlorophylliennes? (réduction du CO2) Les chlorophylles sont des pigments. De ce fait, ces molécules (comme les autres pigments photosynthétiques) peuvent êtres excités par les radiations lumineuses. Cette excitation est due à la présence de liaisons conjuguées (et donc d'électrons délocalisés) : l'arrivée d'un photon fait passer un électron délocalisé d'un état fondamental (non excité) à un état excité. La chlorophylle, une fois excitée, retourne à son état fondamental, plus stable thermodynamiquement. Ceci peut se faire de plusieurs manières, et en particulier : En émettant de la lumière (c'est la fluorescence constatée dans une solution de chlorophylle). En transférant son énergie à une molécule très proche. (Resonnance) En perdant un électron.(photochimie = initiation de processus biochimiques conduisant à la réduction du carbone) Animation :

19 Page 19 Pb : Que devient cette énergie, à quelles molécules est-elle transmise, comment est assurée la réduction du CO2 (transfert d e- - )? Comment l énergie lumineuse qui excite la chlorophylle se retrouve-telle «stockée» en énergie chimique? Quels sont les intermédiaires? SVT SPE TS Veillat

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