Chapitre 1 : La photosynthèse

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1 1 Thème 1 : Energie et cellule vivante Chapitre 1 : La photosynthèse Enseignement de spécialité SVT Terminale S 2017/2018 M.IMBERT

2 2 La lumière permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux verts, la synthèse de matière organique à partir d eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Les végétaux chlorophylliens convertissent donc l énergie lumineuse en énergie chimique permettent de nombreuses réactions. ð Comment certaines cellules peuvent-elles produire de la matière organique à partir de matière minérale et de lumière?

3 3 Organisation fonctionnelle d une plante

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6 Coupe transversale de feuille 6

7 La cellule chlorophyllienne 7

8 8 Les conditions de la photosynthèse

9 La mise en évidence de l activité photosynthétique 9 La lumière permet la synthèse de matière organique dans les parties chlorophylliennes des végétaux. Comment mettre en évidence et mesurer l activité photosynthétique des cellules chlorophylliennes? Lors de la photosynthèse, les cellules chlorophylliennes des végétaux verts produisent des molécules organiques à partir de matière uniquement minérales (eau et dioxyde de carbone), en utilisant la lumière comme source d énergie.

10 La mise en évidence de l activité photosynthétique 10

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13 La production de molécules organiques 13 Ce protocole permet de localiser cellulairement la photosynthèse en repérant les lieux de stockage des molécules organiques sous forme d amidon en décolorant les feuilles puis en les colorant à l eau iodée. La coloration bleue-nuit qui révèle la présence d amidon n apparaît que dans les zones éclairées et dans les zones où la chlorophylle (qui donne la couleur verte) est présente La photosynthèse qui produit l amidon nécessite donc de l énergie lumineuse et la présence de chlorophylle contenue dans les chloroplastes. En effet l observation microscopique des feuilles d élodées éclairées montre que cette synthèse d amidon a lieu dans les chloroplastes, organites sièges de la photosynthèse.

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17 Un phénomène impliquant des échanges gazeux 17

18 Un phénomène impliquant des échanges gazeux 18 L analyse des échanges gazeux par le dispositif EXAO permet de constater qu à l obscurité, les algues consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone : c est la respiration. On peut ainsi affirmer que la photosynthèse permet la consommationde CO2 et la production d O2 A la lumière les algues consomment du dioxyde de carbone et rejettent du dioxygène : les algues respirent mais les échanges liés à ce phénomène sont masqués par un nouveau processus cellulaire : la photosynthèse.

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21 Conclusion : La photosynthèse 21 Les cellules chlorophylliennes contiennent des organites de couleur verte, les chloroplastes, qui synthétisentde l amidon en présence de lumière. Cette synthèse s accompagne d une consommation de CO2 et un rejet de dioxygène. Ainsi l équation bilan de la photosynthèse est :

22 22 Le chloroplaste, organite clé de la photosynthèse

23 Le chloroplaste, un organite compartimenté 23

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25 Le chloroplaste 25 u Présents en grands nombre dans les cellules végétales u 2 à 10 µm u Accomplie la photosynthèse u Double membrane et ADN (comme la mitochondrie)

26 Structure interne du chloroplaste 26

27 Micrographie de la structure interne du chloroplaste 27

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29 Les thylakoides 29 u Ils contiennentdes photosystèmes nécessaire à la phase photodépendante ; u u La très grande surface des thylakoïdes permet beaucoup d'absorption de lumière et plusieurs réactions simultanées Leur petite cavité permet l'entreposage de proton (H + ) et par chimiosmose la formation d'atp, molécule fortement énergétique.

30 30 Les pigments photosynthétiques

31 La diversité des pigments chlorophylliens 31

32 La chlorophylle 32 u absorbe principalement les longueurs d'ondes bleues et rouges u énergie lumineuse excite un électron de la double liaison et l'arrache de son orbite électron de l'eau viennent remplacer ceux perdus par la chlorophylle

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34 Bilan 34 u La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes, organites qui doivent leur couleur verte à la chlorophylle qu ils renferment. u Le stroma du chloroplaste est un gel contenant les enzymes nécessaires à la production de molécules organiques. On peut en effet observer des grains d amidon. u Le chloroplaste renferme un important réseau de membranes internes formant des sacs clos aplatis, les thylakoïdes. u C est dans la membrane des thylakoïdes que sont situés les pigments chlorophylliens.

35 35 Le déroulement de la photosynthèse

36 Un mécanisme en deux étapes 36 Différentes expériences ont permis de déterminer que la photosynthèse se déroule en deux phases principales : u u 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.

37 La molécule d ATP 37

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39 Dégradation de l ATP et formation d énergie 39 Adénine Adénine P P P Ribose P P Ribose + P ATP ADP + Pi Energie Liaisons énergétiques

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41 Les composés réduits R H 2 41 Les réactions d oxydoréduction impliquent des échanges d électrons entre une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons appelé oxydant et une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons appelé réducteur.

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43 43 La phase photochimique de la photosynthèse

44 La phase photochimique 44 La phase photochimique dépend directement de la lumière (on l appelle aussi phase photodépendante) Elle a lieu dans la membrane des thylakoïdes. Il y a une bonne correspondance entre le spectre d absorption des pigments foliaires et le spectre d action photosynthétique : les longueurs d ondes absorbées sont utilisées par la photosynthèse. La phase photochimique de la photosynthèse assure la conversion de l énergie lumineuse en énergie chimique notamment sous la forme de composés réduits qui serviront lors de la phase chimique. Cette étape repose donc sur des réactions d oxydo-réduction.

45 45 Cette équation est une oxydoréduction. Couple 1 : CO 2 / C 6 H 12 O 6 Couple 2 : H 2 O / O 2 oxydant réducteur réducteur oxydant Oxydant + e - réducteur réduction oxydation

46 Les pigments photosynthétiques sont localisés dans la membrane des thylakoïdes. Ils sont associés à des protéines, pour former des unités fonctionnelles : les photosystèmes. 46 Chaque photosystème comporte des antennescollectrices et un centre réactionnel. Les antennes collectrices absorbent le rayonnement lumineux. L énergie de ce rayonnement est transmise jusqu à une molécule de chlorophylle a du centre réactionnel, qui est qualifiéede chlorophylle piège. La chlorophylle piège, excitée par l énergie du rayonnement lumineux, perd un électron au profit d une chaîne d oxydoréduction localisée dans la membrane des thylakoïdes : la chaîne photosynthétique

47 L accepteur final d électrons est un oxydant soluble, noté R qui est réduit enrh2. 47 R + 2H + + 2e - à RH 2 La chlorophylle ionisée retrouve son état initial grâce à l oxydation de l eau, qui produit du dioxygène : c est la photolyse de l eau H 2 0 à 2H + + 2e - + ½ O 2 Ce qui donne le bilan suivant : 2R + 2H 2 O à 2RH 2 + O 2

48 La fabrication d ATP 48 Le flux d électrons dans la chaîne photosynthétique permet, en plus de la synthèse de composés réduits RH2, la translocation de protonsdu stromavers le lumen. L éclairement s accompagne donc d une diminution du ph du lumen. Le gradient de PH entre le lumen et le stroma est une forme de stockage énergétique. Les ATP synthétases, enzymes de la membrane des thylakoïdes, canalisent le retour des protons vers le stroma. Ce flux de protons est couplé à une synthèse d ATP d ATP à partir d ADP et de Pi : ADP + Pi à ATP

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50 BILAN : La phase photochimique 50 La phase photochimique (ou phase claire) correspond à une oxydoréduction entre l eau et les composés R : 2H 2 O + 2R à 2RH 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 (sous forme d ATP). Le bilan de cette phase est donc : 2H nadp + npi + 2R à 2RH 2 + natp + O 2

51 BILAN : La phase photochimique 51

52 Energie lumineuse photons Schéma bilan de la phase ou photochimique (ou claire) de la photosynthèse 52 2e - R RH 2 ADP + Pi Energie chimique ATP Stroma (du chloroplaste) Pigments photosynthétiques et protéines H 2 O ½ O 2 + 2H + Membrane du thylakoïde Lumen (du chloroplaste)

53 53 La phase chimique de la photosynthèse

54 La phase chimique 54 La phase chimique de la photosynthèse permet l incorporation du dioxyde de carbone dans des molécules organiques, notamment des glucides. Elle se déroule dans le stroma et correspond à des réactions organisées en un cycle : le cycle de Calvin.

55 Au cours de ce cycle l enzyme Rubisco catalyse la fixation du CO2 sur un glucide à 5 atomes de carbone, le 1, 5bisphosphate (RuBP). Le composé organique produit se scinde en deux molécules de 3 phosphoglycérate (APG) à 3 atomes de carbone chacune. 55 L APG s engage dans une succession de réactions qui assurent d une part la régénération du RuBP et d autre part la production d une molécule phosphorylée à 3 atomes de carbone, le glycéraldéhyde 3 phosphate (G3P). Trois molécules de CO 2, donc trois tours de cycle sont nécessaires pour obtenir une molécule de G3P. Le G3P est ensuite rapidement converti en une diversité de molécules organiques principalement des glucides.

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57 Bilan du cycle de Calvin 57 Cette réaction ne dépend pas directement de la lumière puisqu elle se poursuit temporairement dans des celluleschlorophylliennes placées à l obscurité après avoir été fortement éclairées. Elle nécessite cependant des transporteurs RH 2 ainsi que de l ATP. RH 2 est une source de protons et d électrons qui permet une réduction du dioxyde de carbone en matière organique, tandis que l hydrolyse de l ATP en ADP et Pi fournit l énergie nécessaire à cette réaction. Le bilan de cette phase chimique est : 6CO 2 + 6RH 2 + natp à C 6 H R + nadp + npi

58 BILAN : La phase chimique 58 Au cours de réactions constituant le cycle de Calvin, du glucose est produit par incorporation du CO 2 en utilisant les produits (RH 2 et ATP) de la phase photochimique. Le CO 2 est d abord fixé sur un accepteur à cinq atomes de carbone qui est régénéré en permanence

59 59 Le couplage des deux phases de la photosynthèse

60 Couple d oxydoréduction Bilan des deux phases de la photosynthèse. Phase photochimique Phase non photochimique H 2 O / O 2 CO 2 / C 6 H 12 O 6 60 Localisation de la réaction thylakoïdes stroma Réactifs de la réaction Energie utilisée H 2 O + oxydant (R) + ADP+Pi Énergie lumineuse CO 2, RH 2 + ATP ATP (énergie chimique) Produits de la réaction O 2, réducteur (RH 2 ), et ATP C 6 H 12 O 6, R et ADP+Pi Indépendantes Expliquer pourquoi ces phases sont à la fois indépendantes et dépendantes. Séparées dans l espace et peuvent être séparées dans le temps. Dépendantes Une partie des produits de chaque réaction sert de réactif à l autre.

61 Un couplage des deux phases 61

62 62 ATP et RH2 sont des molécules régénérées dans les chloroplastes lors de la phase photochimique Il y a ainsi une complémentarité entre les phases photochimique et chimique. L ATP formé, ainsi que la réduction des composés R en RH2 lors de la phase photochimique par les thylakoïdes permettent la réduction du dioxyde de carbone en glucides, comme le glucose, lors de la phase chimique dans le stroma.

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64 LES DEUX PHASES DE LA PHOTOSYNTHESE 64 Thylakoïdes Pigments photosynthétiques Stroma

65 H 2 O Lumière (photons) O 2 65

66 H 2 O Lumière (photons) O 2 66 R+ RH 2

67 H 2 O Lumière (photons) O 2 67 ADP+ Pi R+ RH 2 ATP

68 H 2 O Lumière (photons) O 2 68 ADP+ Pi R+ RH 2 ATP

69 H 2 O Lumière (photons) O 2 69 ADP+ Pi R+ RH 2 ATP 2 APG C 5 P 2 Cycle de Calvin 2 C 3 P

70 H 2 O Lumière (photons) O 2 70 ADP+ Pi R+ RH 2 ATP CO 2 2 APG C 5 P 2 Cycle de Calvin 2 C 3 P

71 H 2 O Lumière (photons) O 2 71 ADP+ Pi R+ RH 2 ATP CO 2 2 APG C 5 P 2 Cycle de Calvin 2 C 3 P Glucide s

72 H 2 O Lumière (photons) O 2 72 ADP+ Pi R+ RH 2 ATP CO 2 2 APG C 5 P 2 Cycle de Calvin 2 C 3 P Stockage temporaire:amidon Glucide s Exportation: synthèse de saccharose, autres glucides,lipides,protides et acides nucléiques

73 H 2 O Lumière (photons) O 2 73 Phase photochimique: système d oxydoréduction ADP+ Pi R+ RH 2 ATP CO 2 2 APG C 5 P 2 Cycle de Calvin 2 C 3 P Stockage temporaire:amidon Glucide s Exportation: synthèse de saccharose, autres glucides,lipides,protides et acides nucléiques

74 H 2 O Lumière (photons) O 2 74 Phase photochimique: système d oxydoréduction ADP+ Pi R+ RH 2 ATP CO 2 Phase chimique: réduction du CO2 incorporé 2 APG C 5 P 2 Cycle de Calvin 2 C 3 P Stockage temporaire:amidon Glucide s Exportation: synthèse de saccharose, autres glucides,lipides,protides et acides nucléiques

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