LA PHOTOSYNTHÈSE ET LA RESPIRATION CELLULAIRE

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1 LA PHOTOSYNTHÈSE ET LA RESPIRATION CELLULAIRE 1- Décrivez, brièvement, sous quelle forme, à quel endroit et le rôle des différents pigments nécessaires à la photosynthèse? Les chloroplastes contiennent différents pigments localisés dans la membrane des thylakoïdes. Ces pigments ont la capacité d absorber la lumière. La chlorophylle a est le pigment bleu-vert, qui absorbe la lumière rouge et bleue, c est la raison pour laquelle les feuilles nous paraissent vertes car elles diffusent ces longueurs d onde. La chlorophylle b est le pigment jaune-vert qui absorbe la lumière et transfert l énergie à la chlorophylle a qui l utilise comme si c était elle qui l avait captée. Les caroténoïdes sont des pigments, jaune à orangé, qui semblent d avantage jouer un rôle de photo-protection. Au lieu de transmettre de l énergie, ils l absorbent et la dissipent pour éviter d endommager les pigments. 2- Distinguez des 2 systèmes de pigments? Les deux photosystèmes se différencient par les longueurs d onde absorbées car les chlorophylles a sont associé à des protéines différentes. Le photosystème I, appelé aussi P700, est constitué d une chlorophylle a ayant la capacité d absorber d avantage la longueur d onde de 700 nm. Le photosystème II, appelé aussi P680, est constitué d une chlorophylle a ayant la capacité d absorber d avantage la longueur d onde de 680 nm. Les électrons excités sont captés par les accepteurs d électron. Le vide électronique laissé dans le photosystème II est comblé par l'hydrolyse de l'eau en hydrogène et en oxygène par des enzymes. Le vide électronique laissé dans le photosystème I est comblé par l arriver des électrons de la chaîne de transport (photosystème I). 3- Décrivez l'unité fonctionnelle (organite cellulaire) de base de la photosynthèse? Les chloroplastes sont des organites présents dans le cytoplasme des cellules végétales. Ils sont composés de deux membranes séparées par un espace intermembranaire. Il contient un réseau membraneux constitué de sacs aplatis nommés thylakoïdes qui baignent dans le stroma (liquide intra-chloroplastique). Les thylakoïdes contiennent de la chlorophylle (pigments verts) et des caroténoïdes (pigments jaune orange). Un empilement de thylakoïdes se nomme granum (au pluriel : des grana). 4- Expliquez pourquoi on peut dire que la phase lumineuse est caractérisée par la photolyse de l'eau et la phase obscure par la fixation du CO 2? Durant la réaction photochimique ou phase lumineuse, il y a conversion de l énergie solaire en énergie chimique, ce qui donne de l ATP et du NADPH+H+. Cette conversion oblige le photosystème II à combler le vide créé par l excitation d un électron en scindant une molécule d eau. Lors du cycle de Calvin ou la phase obscure,

2 il y a incorporation de CO2 dans les molécules organiques déjà présentes dans le chloroplaste. L énergie nécessaire est offerte par les ATP et NADPH+H+ produient lors des réactions photochimiques. 5- Quels sont les buts respectifs de la phase lumineuse et de la phase obscure de la photosynthèse? Le but de la phase lumineuse ou réaction photochimique est de produire de l ATP et des NADPH+H+ nécessaire à la phase obscure ou cycle de Calvin. Durant le cycle de Calvin ou phase obscure, l énergie sous forme d ATP et le NADPH+H+ sont utilisé pour incorporer le carbone du CO2 et former une molécule organique (PGAL) d où le terme synthèse. 6- Expliquez ce que l on entend par la photophosphorylation de l ADP? On emploie le terme photophosphorylation pour désigner la synthèse d'atp dans les chloroplastes, car elle est amorcée par l'énergie lumineuse. 7- Nommez un transporteur d'hydrogène dans la photosynthèse? Le nicotinamide dinucléotide phosphate (NADP) pour former le NADPH + H + 8- Expliquez ce que signifie un potentiel d'oxydoréduction négatif ou positif? Les donneurs d'électrons, dont la pression d'électrons est élevée, possèdent un potentiel d'oxydoréduction négatif élevé. Tandis que les accepteurs d'électrons, dont l'affinité est grande, possèdent un potentiel d'oxydoréduction positif élevé. 9- Dans la photosynthèse, précisez ou donnez la forme réduite du CO2 et la forme réduite de l'oxygène? L O 2 et sa forme réduite H2O, Le CO 2 et sa forme réduite (CH 2O)n 10- Quelle est la différence qui existe entre la photophosphorylation cyclique et non cyclique? Le transport cyclique d'électrons est le trajet le plus simple. Il ne fait intervenir que le photosystème I et n'engendre que de l'atp ; il ne produit ni NADPH + H+ ni oxygène. Cette voie est dite cyclique parce que les électrons excités qui quittent la chlorophylle au centre réactionnel finissent par y revenir. Dans le transport non cyclique d'électrons, les électrons passent continuellement de l'eau au NADP+, en faisant intervenir les deux photosystèmes. Comme dans le transport cyclique, la lumière excite les électrons du P700, le centre réactionnel du photosystème I. Cependant, les électrons ne retournent pas au centre réactionnel : ils sont mis en réserve dans le NADPH + H+. Le NADPH + H+ jouera ultérieurement le rôle de donneur d'électrons et de protons, quand le cycle de Calvin réduira le dioxyde de

3 carbone en glucide. De plus, lorsque le photosystème II absorbe la lumière, l'énergie atteint le P680, l'accepteur primaire d'électrons piège les électrons éjectés et les transfère à une chaîne de transport, celle-là même qui participe au transport cyclique d'électrons. Les électrons dévalent la chaîne, perdant de l'énergie potentielle en cours de route, jusqu'à ce qu'ils atteignent le P700 et remplissent les vides laissés quand le photosystème I a réduit le NADP+. À mesure que les électrons dérivent du photosystème II au photosystème I, la chaîne de transport achemine des protons à travers la membrane des thylakoïdes. La force protonmotrice peut alors actionner la synthèse de l'atp. La production d'atp au cours du transport non cyclique d'électrons est appelée photophosphorylation non cyclique. Soulignons cependant que la synthèse de l'atp se fait de la même façon que dans la photophosphorylation cyclique. 11- Précisez les conditions qui amènent la photophosphorylation non cyclique? C est le besoin plus grand en ATP qu en NADPH + H+ du cycle de Calvin qui favorise ce type de photophosphorylation non cyclique. 12- Quel est le principal donneur d'électrons dans la photosynthèse? H 2 O 13- Quel est le principal accepteur d'électrons dans la photosynthèse? Le CO Résumez les principales réactions de la phase lumineuse de la photosynthèse? 1 L'absorption de lumière excite un électron (e - ) dans des molécules de chlorophylle a exposées dans les 2 photosystèmes (le photosystème I, appelé aussi P700, absorbe d avantage la longueur d onde de 700 nm et le photosystème II, P680, absorbe la longueur d onde de 680 nm). Les électrons excités sont captés par les accepteurs d électron 2 Le vide électronique laissé dans le photosystème II est comblé par l'hydrolyse de l'eau en hydrogène et en oxygène par des enzymes. 3 Les électrons voyagent des accepteurs d électron du photosystème II au photosystème I via une chaîne de transport d électrons. 4 Ce passage des électrons dans la chaîne de transport assure la photophosphorylation de l'adp en ATP grâce à l ATP synthétase située dans la membrane des thylakoïdes. L ATP formé se retrouve dans le stroma des chloroplastes 5 Le vide électronique laissé dans le photosystème I est comblé par l arrivée des électrons de la chaîne de transport (photosystème II). 6 Les électrons excités du photosystème I sont acceptés et entrent dans une seconde chaîne de transport et sont emmagasinés dans une molécule de nicotinamide dinucléotide phosphate (NADP) pour former le NADPH + H +

4 15- Résumez les principales réactions de la phase obscure de la photosynthèse et en faire un bilan? Lors de la phase obscure ou cycle de Calvin, il y a ; 1-La fixation du carbone de 3 molécules de CO2 qui se fait sur des molécule de ribulose diphosphate (RuDP) (5carbones) donnant des molécules à 6 carbones très instables qui se scinde en 2 molécules de 3 carbones. 2-En utilisant de l ATP (6) et en transférant les électrons du NADPH + H + (6), il se produit une réduction qui permet de former le PGAL (3carbones) 3-Une série de réaction utilisant de l ATP(3), permet de réarranger les chaînes de carbones en RuDP, accepteur de CO 2 C est la régénération. En fixant 3 CO2, on produit un PGAL et on utilise 9 ATP et 6 NADPH+ H +. Donc pour produire un glucose, on doit fixer 6 CO2 16- Quel est le principal produit de la photosynthèse? Du PGAL qui formera du glucose 17- Nommez et décrivez brièvement les principales étapes de la respiration cellulaire et donnez pour chacune un bilan si la réaction débute avec une mole de glucose? La première étape est la glycolyse aérobie qui est caractérisée par une suite de réactions enzymatiques qui mènent, à partir d une (1) molécule de glucose à deux (2) molécules d acide pyruvique ou pyruvate, 2 et de l énergie sous forme d ATP (2) (4 ATP produits et 2 utilisés). La seconde étape comprends l étape charnière et le cycle de Krebs ou cycle de l acide citrique. Lors de l étape charnière, toujours à partir d une mole de glucose, il y a production de 2 molécules de (CO2), 2 et 2 acétyl-coa. Ces 2 acétyl-coa sont acheminés vers le cycle de Krebs. Ce cycle est caractérisé par une série d étapes qui permettront de produire du gaz carbonique (CO2), de l énergie sous forme d ATP ainsi que le transfert d électrons sur des transporteurs. À partir d une mole de glucose, 2 cycles sont nécessaires ce qui permet de produire 2 FADH 2, 6 NADH+H +, 6 CO2 et 2 ATP La troisième étape est la chaîne de transport d électron, qui est caractérisée par une série de réactions au cours desquelles des hydrogènes (H2) sont dirigés vers une chaîne de transporteurs (chaîne des cytochromes) qui produiront des molécules d ATP (entre 32 et 34 molécules) et de l eau (6 molécules).

5 18-Comparez la glycolyse aérobie à la glycolyse anaérobie en termes de produits et d'énergie dégagée, en mettant en évidence les accepteurs d'hydrogène (finaux) dans chacun des cas? La glycolyse aérobie, à partir d une molécule de glucose produit deux molécules d acide pyruvique ou pyruvate, 2 NADH+H + et de l énergie sous forme d ATP (2) (4 ATP produits et 2 utilisés). La glycolyse anaérobie, à partir d une molécule de glucose, nécessite l addition de 2 atomes d hydrogène au pyruvate ce qui donne de l acide lactique ou lactate ou encore la conversion du pyruvate en acétaldéhyde qui additionne les 2 H formant de l éthanol. Dans ces cas, le donneur d hydrogène est le NADH et il est converti en NAD. Ainsi, même en l absence d oxygène, condition anaérobie, le NADH peut être transformé en NAD et la glycolyse peut se poursuivre avec comme produit final l acide lactique ou de l éthanol au lieu de l acide pyruvique. Il faut bien comprendre que la quantité d ATP synthétisée par molécule de glucose est moindre au cours de la glycolyse anaérobie qu au cours de la glycolyse aérobie car les NADH ne sont pas acheminés vers la chaîne de transport d électrons. 19- Précisez à quel endroit dans la cellule s'effectuent chacune des grandes étapes de la respiration cellulaire? Glycolyse dans le cytosol de la cellule. L étape charnière permet le passage du cytosol dans la mitochondrie. Le cycle de Krebs s effectue dans la matrice de la mitochondrie. La chaîne de transport d électrons s effectue dans la membrane interne de la mitochondrie 20- Expliquez les conséquences (biochimiques et énergétiques) d'un manque d'oxygène au niveau de la respiration cellulaire? En l absence d oxygène, le NADH ne peut pas être converti en NAD+ par transfert d atomes d hydrogène et d électrons à la chaîne des cytochromes. S il n y avait pas d autre moyen de retransformer le NADH en NAD, la respiration cellulaire s arrêterait une fois le faible stock de NAD de la cellule totalement converti en NADH. Ainsi le manque d O2 arrêterait la glycolyse et le reste, donc plus de production d énergie 21- Expliquez les conséquences (biochimiques et énergétiques) de la présence d un inhibiteur enzymatique au début du cycle de Krebs? Un inhibiteur pourrait stopper une enzyme de la glycolyse et ainsi empêcher la poursuite de la cascade permettant de produire l ATP par phosphorylation du substrat, produire les NADH+H + et FADH2 et l ATP par phosphorylation oxydative, Donc arrêter la respiration cellulaire comme certain insecticide, pecticide,

6 22- Mettez en évidence les différences entre la fermentation lactique et la fermentation alcoolique? Dans la fermentation lactique, il y a addition de 2 atomes d hydrogène au pyruvate ce qui donne de l acide lactique produisant 2 ATP. Dans la fermentation alcoolique, il y a conversion du pyruvate en acétaldéhyde qui additionne les 2 H de l accepteur d électron formant de l éthanol, libérant 2 CO2 et produisant 2 ATP. 23- Expliquez la complémentarité qui existe entre la photosynthèse et la respiration cellulaire ou entre les végétaux et les animaux? La photosynthèse nourrit presque tous les êtres vivants, directement ou indirectement. Un organisme se procure les composés organiques nécessaires à la production d ATP et de chaînes carbonées soit par autotrophie ou par hétérotrophie, c est le flux d énergie. Les autotrophes élaborent leurs molécules organiques à partir du dioxyde de carbone et d autres matières premières inorganiques tirées de leur milieu. Les hétérotrophes utilisent les autotrophes comme sources ultimes de matière organiques. On peut donc dire que les autotrophes sont des producteurs et les hétérotrophes des consommateurs.

7 24- Faites un tableau synthèse de la respiration cellulaire à partir d une mole de glucose pour chacune des étapes et sous étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les produits formés, l ATP utilisé, le NADH+H + et FADH 2 formés, l ATP formé par phosphorylation sur le substrat et par phosphorylation oxydative? La respiration cellulaire à partir d une mole de glucose Étapes (sous étape) Lieu de la cellule Produits formés ATP utilisé (FADH2) formés ATP formé par phosphorylation sur le substrat ATP formé par phosphorylation oxydative Glycolyse Cytosol Pyruvate (-2utilisé) 0 (Étape charnière) Traverse CO membrane Acétyl- mitochondrie CoA Cycle de Matrice 6CO Krebs mitochondrie NADH+H 2FADH 2 Chaîne Membrane 6H2O ( ou 34 respiratoire interne parfois) mitochondrie Total 36 à Faites un tableau synthèse des fermentation à partir d une mole de glucose pour chacune des étapes et sous étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les produits formés, l ATP utilisé, le NADH+H + et FADH 2 formés, l ATP formé? Fermentation Lieu de la cellule Produits formés ATP utilisé (FADH2) formé ATP formé Alcoolique Cytosol 2Éthanol 2CO2 2 2 Lactique Cytosol 2Lactate 2 2

8 26- Faites un tableau synthèse de la photosynthèse pour chacune des étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les éléments utilisés (réactifs) et les produits formés? Étapes Lieu de la cellule Éléments utilisés (réactifs) Réactions photochimiques Cycle de Calvin Thylakoïdes (granum) dans chloroplaste Stroma des chloroplastes H 2 O O 2 3CO 2 9ATP 6NADPH+H+ Produits formés 1PGAL