Ch1 : La photosynthèse

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1 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 1 sur 25 T1 Énergie et cellules vivantes Ch1 : La photosynthèse Table des matières Les notions à connaître... 2 I. La synthèse de matière organique... 4 A. Localisation de la photosynthèse dans un végétal éclairé... 4 B. Recherche de la source de carbone... 6 C. La source d'énergie... 8 II. Les échanges gazeux chez un végétal chlorophyllien... 9 A. Mise en évidence des échanges gazeux d'une plante verte aquatique (l'élodée) à l'obscurité puis à la lumière... 9 B. Moyens d acheminement des gaz aériens vers les cellules photosynthétiques des plantes terrestres III. Les pigments chlorophylliens A. Localisation des pigments chez les Eucaryotes photosynthétiques (plantes, algues) B. Séparation des pigments chlorophylliens par chromatographie C. Spectre d'absorption et activité photosynthétique IV. Les étapes de la photosynthèse A. Expériences d'emerson et Arnold (1932) B. La phase photochimique : 1 ière étape de la photosynthèse BILAN C. La phase chimique : 2 ième étape de la photosynthèse BILAN... 25

2 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 2 sur 25 Les notions à connaître OBJECTIFS & MOTS-CLÉS SAVOIRS Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. Il est le siège de couplages énergétiques. La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse. Le chloroplaste est l'organite clé de cette fonction. La phase photochimique produit des composés réduits RH2 et de l'atp. La phase chimique produit du glucose à partir de CO2 en utilisant les produits de la phase photochimique. La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) : dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO 2 et des composés réduits R'H 2. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent de la production d'atp qui permet les activités cellulaires. SAVOIRS-FAIRE LIMITES On se limite aux cellules eucaryotes. Les mécanismes moléculaires de la chaîne photosynthétique et la conversion chimioosmotique ne sont pas au programme. Seuls les bilans devront être mémorisés. La réduction dans le chloroplaste d'autres substances minérales que le CO2 n'est pas au programme. L'étude préalable des différents exemples du programme permet d'aboutir à une conclusion générale qui ne génère pas en elle-même d'étude complémentaire. Les forêts tropicales et boréales (

3 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 3 sur 25 ainsi que le phytoplancton ( sont les plus importantes autotrophes de la planète. Les végétaux chlorophylliens sont des producteurs primaires : ils fabriquent leurs constituants organiques à partir de substances minérales et sont dits pour cela autotrophes par opposition aux autres êtres vivants hétérotrophes. PROBLÉMATIQUE : COMMENT CETTE AUTOTROPHIE EST-ELLE POSSIBLE?

4 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 4 sur 25 I. La synthèse de matière organique A. Localisation de la photosynthèse dans un végétal éclairé TP Mise en évidence de la présence d amidon dans les chloroplastes Deux feuilles de Pélargonium sont recouvertes par des caches. Une feuille est prélevée après une nuit à l obscurité, et une autre après 24h à la lumière. On les plonge dans de l alcool bouillant, puis on recouvre de Lugol et on rince. Le Lugol colore en brun-noir les zones contenant de l amidon, et en clair les zones sans amidon.

5 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 5 sur 25 Condition de production de matière organique (amidon). Source : manuel de 2nde SVT Belin 2010 p Constitution d une molécule d amidon. La synthèse de matière organique est photodépendante : elle ne se produit qu'à la lumière dans les chloroplastes des cellules végétales. Cette matière organique est une macromolécule glucidique : l'amidon, révélé par l'eau iodée. PROBLÉMATIQUE : POUR SYNTHÉTISER DE LA MATIÈRE ORGANIQUE CARBONÉE, IL FAUT UNE SOURCE DE CARBONE ET UNE SOURCE D'ÉNERGIE. L'EXPÉRIENCE PRÉCÉDENTE MET CLAIREMENT EN ÉVIDENCE L'IMPORTANCE DE LA LUMIÈRE DANS CE PROCESSUS MAIS COMMENT PROUVER QUE LA SOURCE DE CARBONE EST BIEN LE CO 2 ATMOSPHÉRIQUE?

6 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 6 sur 25 B. Recherche de la source de carbone

7 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 7 sur 25 Source du carbone permettant la production de matière organique. Source : manuel de SVT spe Bordas 2002 p Chez les végétaux chlorophylliens, le carbone utilisé pour synthétiser l'amidon est issu d'une molécule minérale oxydée : le CO 2 atmosphérique ou l'ion hydrogénocarbonate HCO 3 - dans l'eau. Les êtres vivants capables de produire de la matière organique en procédant à la réduction d'une matière minérale (CO 2 ou HCO 3 - ) sont dits autotrophes (pour le carbone). Remarque : l'autotrophie peut également concerner l'azote : un organisme capable de réduire l'azote minéral (N 2 ou NO 3 ) est dit autotrophe pour l'azote... PROBLÉMATIQUE : LA SOURCE D'ÉNERGIE NÉCESSAIRE À CETTE SYNTHÈSE DE MATIÈRE ORGANIQUE EST-ELLE TOUJOURS LA LUMIÈRE?

8 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 8 sur 25 C. La source d'énergie Notre étoile est source de rayonnements électromagnétiques continus. Sources : et Le Soleil produit de l énergie que la lumière, entre autres radiations électromagnétiques, transporte vers la Terre : c est l énergie lumineuse qui est convertie en énergie chimique par les végétaux verts. Ainsi, l énergie se retrouve dans les chaînes alimentaires et elle ne fait que circuler d êtres vivants en êtres vivants...

9 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 9 sur 25 Colonie de vers du genre Riftia au voisinage d'un fumeur noir sur le plancher océanique. Source : Les végétaux chlorophylliens utilisent l'énergie lumineuse du soleil pour réaliser la synthèse de matière organique : on parle de phototrophie ou plus généralement photosynthèse. Dans certains écosystèmes particuliers comme au voisinage des sources hydrothermales des grands fonds océaniques, il existe des bactéries autotrophes qui tirent leur énergie de l'oxydation de molécules inorganiques (hydrogène, sulfure d'hydrogène) : on parle alors de chimiotrophie ou plus généralement de chimiosynthèse. Remarque : chez les Eucaryotes, d'une manière générale, les organismes autotrophes sont aussi phototrophes et les organismes hétérotrophes sont aussi chimiotrophes. Ces deux types de caractéristiques ne sont cependant pas toujours couplés chez les bactéries (Procaryotes) où les types trophiques sont plus complexes PROBLÉMATIQUE : COMMENT MESURER L'ABSORPTION DECO 2 PAR UN VÉGÉTAL CHLOROPHYLLIEN ÉCLAIRÉ? PAR AILLEURS, IL EST COURANT D'ENTENDRE QUE LES PLANTES DÉGAGENT DU DIOXYGÈNE : CERTAINS N'HÉSITENT PAS À PARLER DES GRANDES FORÊTS COMME LES "POUMONS DE LA PLANÈTE». EST-CE JUSTIFIÉ?

10 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 10 sur 25 II. Les échanges gazeux chez un végétal chlorophyllien A. Mise en évidence des échanges gazeux d'une plante verte aquatique (l'élodée) à l'obscurité puis à la lumière Source : Pendant les périodes obscures, la concentration en dioxygène diminue : cette consommation en dioxygène est due à la respiration des cellules. Pendant la période lumineuse, la concentration en dioxygène augmente : cette production de dioxygène est due à la photosynthèse. En fait, pendant la période lumineuse, la respiration et la photosynthèse se déroulent simultanément. La production de dioxygène correspond à la photosynthèse nette, résultat de la différence entre la photosynthèse brute et la respiration. Photosynthèse brute (PB) = dioxygène produit par la photosynthèse Respiration (R) = dioxygène consommé par la respiration Photosynthèse nette (PN) = dioxygène produit réellement PN = PB - valeur absolue (R) La photosynthèse nette est le plus souvent positive (PB >> R). Dans le cas de faibles intensités lumineuses elle peut être nulle (PB = R) ou même négative (PB < R). Source du texte : Remarque : les échanges gazeux de la respiration et de la photosynthèse étant contraires, il existe un point de compensation pour lequel la plante verte ne produit pas plus de dioxygène par photosynthèse qu'elle n'en consomme pour la respiration : (PB = R donc PN = PB - R = 0) Pour aller plus loin :

11 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 11 sur 25 Bien éclairée, une plante chlorophyllienne consomme du dioxyde de carbone et rejette du dioxygène en réalisant la photosynthèse. Elle utilise les molécules organiques produites par photosynthèse pour se procurer, grâce à la respiration, l'énergie nécessaire à son fonctionnement. La respiration est continue, de jour comme de nuit, mais à la lumière elle est masquée par la photosynthèse. Équation globale de la photosynthèse 6 CO H 2 O C 6 H 12 O 6 (glucide) + 6 O H 2 O PROBLÉMATIQUE : COMMENT LES CELLULES CHLOROPHYLLIENNES, EN PARTICULIER TERRESTRES, SONT-ELLES ALIMENTÉES EN CO 2? B. Moyens d acheminement des gaz aériens vers les cellules photosynthétiques des plantes terrestres. TP Mise en évidence du parenchyme pallissadique et lacuneux d une feuille. Coupe transversale fine dans une feuille de houx

12 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 12 sur 25 Source : La coupe transversale d'une feuille montre de nombreux espaces entre les cellules du parenchyme chlorophyllien. Ces lacunes permettent l'existence d'une véritable atmosphère interne. TP Mise en évidence des stomates d une feuille. Épiderme inférieur d'une feuille de polypode

13 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 13 sur 25 Coupe transversale du limbe d'une feuille de dicotylédone. Source : Seuls sont représentés schématiquement, un stomate composé de ses deux cellules de garde, l'épiderme et sa cuticule et quelques cellules de parenchyme chlorophyllien séparées par des méats aérifères et maintenant une grande chambre sous stomatique aérifère sous le stomate. On constate que les gaz de l'atmosphère sont en continuité avec cette chambre et les méats grâce à l'ostiole du stomate. Remarquons que dans l'épiderme, seules les cellules stomatiques sont pourvues de chloroplastes. Source : manuel de SVT spe Bordas 2002 p185 Chez les végétaux terrestres, le CO 2 et les autres gaz pénètrent dans les feuilles par des petits orifices : les ostioles des stomates. Chaque stomate est composé de deux cellules spécialisées (les cellules de garde) très sensibles à des changements importants de pression osmotique donc de turgescence. Leur ouverture est indirectement dépendante de la lumière car ce sont les produits de la photosynthèse qui augmentent la concentration du milieu intracellulaire à l'origine de la pression de turgescence : chez la plupart des plantes, les stomates sont fermés la nuit et ouverts le jour.

14 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 14 sur 25 Schéma bilan de la photosynthèse PROBLÉMATIQUE : COMMENT L'ÉNERGIE LUMINEUSE EST-ELLE CONVERTIE EN ÉNERGIE CHIMIQUE? COMMENT EST ASSURÉE L'ASSIMILATION DU CO 2? QUELLE EST L'ORIGINE DU DIOXYGÈNE LIBÉRÉ? III. Les pigments chlorophylliens A. Localisation des pigments chez les Eucaryotes photosynthétiques (plantes, algues) TP Observation de chloroplastes d Élodée en cyclose

15 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 15 sur 25 Source : Les pigments chlorophylliens liposolubles sont enchâssés dans la membrane des thylakoïdes qui baignent dans un gel hydraté : le stroma. Remarque : la présence d'adn, de ribosomes et d'une double membrane est un argument de poids en faveur de la théorie endosymbiotique selon laquelle les chloroplastes (comme les mitochondries d'ailleurs) étaient des bactéries à l'origine... PROBLÉMATIQUE : COMMENT EXTRAIRE ET ISOLER LES PIGMENTS CHLOROPHYLLIENS?

16 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 16 sur 25 B. Séparation des pigments chlorophylliens par chromatographie TP Séparation de pigments chlorophylliens Source : Par chromatographie, on peut séparer plusieurs types de pigments dans les feuilles : Les pigments solubles dans les solvants organiques : chlorophylles a et b (verts), caroténoïdes (orange). Les pigments insolubles dans les solvants organiques mais solubles dans l'eau : anthocyanes (bleus). PROBLÉMATIQUE : POURQUOI LES PIGMENTS SONT-ILS COLORÉS? QUEL EST LE LIEN ENTRE CES PIGMENTS ET LA PHOTOSYNTHÈSE? C. Spectre d'absorption et activité photosynthétique Source : manuel de terminale spe SVT Belin 2012 p18

17 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 17 sur 25 Les algues possèdent aussi des pigments chlorophylliens mais dans certains groupes, ils sont complétés par des pigments spécifiques pour absorber les longueurs d'ondes dominantes à la profondeur où elles vivent. Les pigments absorbent principalement la lumière bleue et rouge, ce qui explique la coloration verte des feuilles. Il y a une bonne correspondance entre le spectre d'absorption des pigments et le spectre d'action photosynthétique : les longueurs d'onde absorbées sont utilisées pour la photosynthèse. Remarque : chez les végétaux terrestres, les pigments solubles dans l'eau comme les anthocyanes (présents dans les vacuoles), ne jouent aucun rôle dans la photosynthèse.

18 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 18 sur 25 PROBLÉMATIQUE : QUEL RÔLE LES PIGMENTS JOUENT-ILS DANS LA PHOTOSYNTHÈSE? QUELLES SONT LES ÉTAPES DE LA PHOTOSYNTHÈSE? IV. Les étapes de la photosynthèse A. Expériences d'emerson et Arnold (1932) Ces expériences ont été réalisées sur des algues vertes unicellulaires (Chlorelles) en suspension. L incorporation du CO 2 est mesurée en lumière intermittente à l'aide d'un tube-néon intense qui produit des éclairs brefs (10 µs) séparés par des intervalles variables d obscurité (entre 1 et 40 ms). Expérimentalement, chaque mesure est réalisée pour un total de éclairs de 10 µs (soit un total de 1s de lumière) et des durées de périodes sombres comprises entre 100 s et s (soit un total d'obscurité compris entre 1,6 à 64 minutes). À 25 C :il faut une période sombre totale d environ 20 ms (2 000 fois plus importante) pour obtenir une photosynthèse nette maximum. À 5 C : la durée de la période sombre est plus élevée pour obtenir une photosynthèse nette maximum, mais la photosynthèse nette maximale est la même. Dans les conditions de cette expérience (éclairement total bref et saturant), il faut une période sombre importante pour obtenir une photosynthèse maximale. Ceci suggère que des molécules intermédiaires : - sont formées à la lumière rapidement (de manière quasi insensible à la température) = réactions photochimiques, - et qu'elles sont utilisées beaucoup plus lentement par des réactions chimiques (qui sont sensibles à la température) = réactions biochimiques d'assimilation du CO 2. PROBLÉMATIQUE : EN QUOI CONSISTE EXACTEMENT CETTE PREMIÈRE PHASE PHOTOCHIMIQUE?

19 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 19 sur 25 B. La phase photochimique : 1 ière étape de la photosynthèse Comprendre par des expériences Réactif de Hill En 1937, Hill réalise son expérience (historique) sur une suspension de chloroplastes éclairée et utilise, en absence de CO 2, un réducteur (c est à dire un accepteur d électrons) artificiel : le ferricyanure de potassium (réactif de Hill). En absence de CO 2, les chloroplastes sont capables de libérer du dioxygène, à condition qu'un accepteur d'électron (Fe 3+ ) soit présent dans le milieu. Réaction de Hill (globale en haut, détaillée en 2 étapes en bas) On comprend donc que le CO2 n est pas responsable du dégagement d O 2 (qui est pourtant un des signes de la photosynthèse). Note : dans ces conditions, les chloroplastes ne produisent pas de glucides.

20 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 20 sur 25 Réactif DCPIP De la même manière, on peut expérimentalement remplacer le réactif de Hill par le DCPIP (dichloro-phéno-indo-phénol) qui a la propriété d'être bleu à l'état oxydé et incolore à l'état réduit. Le matériel biologique est une suspension de chloroplastes préparée à partir, par exemple, de feuilles d'épinard. Le DCPIP est décoloré, donc réduit à la lumière par la suspension de chloroplastes. Concentration en O 2 de la solution avec (à gauche) ou sans (à droite) DCIP Source : En absence de source carbonée, à la lumière, les chloroplastes isolés produisent un dégagement de dioxygène, parallèlement à la réduction du DCPIP. On retrouve le phénomène vu avec le réactif de Hill.

21 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 21 sur 25 La première partie de la photosynthèse peut donc être séparée en 2 réactions couplées à un système d'oxydo-réduction. Dans les conditions naturelles de la photosynthèse, ce rôle d'accepteur d'électron est rempli par le NADP + (Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate). Oxydation : H2O 2 H e - + ½ O 2 (en présence de photons) Réduction : NADP + + H e - NADPH Il existe en fait une série de couples redox qui transfèrent successivement les électrons jusqu à un accepteur final, le long d une chaîne d oxydo-réductions dans la membrane du thylacoïde. Le couple NADP + / NADPH joue ainsi le rôle d'intermédiaire entre l'oxydation de l'eau et la réduction du CO 2. Avec les protons issus de la photooxydation de l'eau, l intérieur du thylakoïde (espace intra-thylacoïdien ou lumen) devient plus acide que le stroma et un flux transmembranaire de H + permet au final de synthétiser à partir de l ADP de l'atp (Adénosine Triphosphate), molécule portant l'énergie dans ses liaisons P-P. Nous reparlerons de l ADP dans les chapitres sur la respiration et les fermentations. La première phase de la photosynthèse (dite photochimique) correspond donc : - à la synthèse d'un pouvoir réducteur (NADP NADPH), - et d'un pouvoir énergétique (ADP ATP). Ces deux molécules joueront un rôle dans la phase suivante, que l on qualifie de chimique car elle ne dépend pas directement de la présence de lumière (elle en dépend cependant quand même puisqu elle ne peut se faire qu à la suite de cette première phase photochimique).

22 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 22 sur 25 BILAN de cette première phase de la photosynthèse, dite photochimique Extrait du manuel de Terminale spe SVT Belin 2012 p21 (modifié) Pour aller plus loin (attention, hors programme!) : schemaz.htm Remarque : pour certains auteurs, la photosynthèse au sens strict se limite à la synthèse du pouvoir énergétique et du pouvoir réducteur. Dans ce cours, comme dans beaucoup d'ouvrages, nous inclurons l'assimilation du dioxyde de carbone et la synthèse de molécules carbonées dans la photosynthèse (prise donc au sens large).

23 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 23 sur 25 C. La phase chimique : 2 ième étape de la photosynthèse 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 de calculer très précisément le temps pendant lequel les chlorelles situées dans le serpentin ont été en contact avec le CO 2 radioactif avant d'être tuées par le méthanol bouillant. 1 PGA 2 1 PGA 2 1 C 3 P 3 3 C 5 P 2 Apparition dans le temps de différentes molécules (les chiffres en rouge donnent l ordre d apparition des 3 premiers). Note : C3P = triose-phosphate = G3P Source :

24 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 24 sur 25 La phase chimique se déroule dans le stroma des chloroplastes et se déroule en 3 étapes au cours du cycle de Calvin : 1 ière étape : fixation du CO 2 sur un composé organique en 5 carbones, le ribulose biphosphate (RuBP), grâce à une enzyme clé : la Rubisco. Le composé en C 6 est scindé en deux molécules en C 3 : l'apg (Acide phosphoglycolique). 2 ième étape : réduction de l'apg en 3-phosphoglycéraldéhyde (G3P) grâce à l'atp et au NADPH produit à la phase photochimique. 2 G3P (molécule en C 3 ) sur 12 servent à la synthèse du glucose (molécule en C 6 ). 3 ième étape : régénération du RuBP à partir du G3P restant grâce à l'atp produit à la phase photochimique. L'incorporation du CO 2 se réalise donc de la manière suivante : En 1962, une expérience complémentaire menée par Calvin et Benson permet de confirmer l ordre de ces réactions : Extrait du manuel de Terminale spe SVT Belin 2012 p22 On remarque qu à la lumière, les quantités d APG et de RUBP sont stables : l APG sert à reconstituer le stock de RUBP, de manière à capter du CO 2, et donc produire du glucose. Par contre à l obscurité : 1. Pendant quelques dizaines de seconde, cela continue comme avant (grâce au micro-stock de NADPH et d ATP constitué pendant la phase photochimique), puis 2. En absence de NADPH et d ATP, le RuBP n est plus régénéré (3 ième étape). Le cycle continue un peu de permettre de produire du glucose en consommant tout le stock de RuBP (qui capte le CO 2 ), puis il stoppe. La photosynthèse reprendra alors quand la cellule végétale aura été de nouveau éclairée.

25 0S_SP_SVT_T1Ch1 La photosynthèse page 25 sur 25 BILAN Extrait du manuel de Terminale spe SVT Belin 2012 p23 Au final, quand le cycle de Calvin fonctionne 6 fois, 18 molécules d ATP et 12 molécules de NADPH (issus de la phase photochimique de la photosynthèse) auront été consommé afin de créer douze trioses-phosphate (G3P). Sur ces 12 G3P : dix servent à régénérer le RUBP, deux (seulement, mais c est suffisant) servent à produire du glucose : c est le but ultime de la photosynthèse THE END Remarque : la Rubisco est l'enzyme la plus abondante sur Terre. Cette enzyme est peu spécifique. Elle catalyse aussi bien la fixation du CO 2 que celle de l'o 2 sur le RuBP! Son activité est indirectement dépendante de la lumière. Elle ne fonctionne qu'à la lumière car elle nécessite du Mg 2+ qui passe dans le stroma pour compenser alors l'entrée de H +. Enfin, son activité est maximale à ph 8, ph du stroma dans un chloroplaste éclairé... L'ancienne terminologie "phase sombre" ou "non photodépendante" pour cette phase chimique est donc totalement injustifiée (mais vous pourrez la trouver dans certains documents).