Cours TS Spe SVT 2011/2012 Diversité des métabolismes DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DES MÉTABOLISMES... 2 CHAPITRE I - DU CARBONE MINÉRAL AU CARBONE ORGANIQUE... 2 1/ l'entrée du carbone minéral CO2 dans la biosphère... 2 2 / Localisation et conditions générales de la photosynthèse... 3 3 / Le rôle des pigments chlorophylliens dans la capture de la lumière... 4 A/ Les différents pigments chlorophylliens... 4 B / L'absorption de la lumière par la chlorophylle brute... 4 4 / Le transfert de l'énergie lumineuse en énergie chimique... 5 A L'oxydation de la chlorophylle photosensible... 5 B - Retour de la chlorohylle a son état d'équilibre... 5 C - Les deux transferts de l'énergie lumineuse en énergie chimique... 5 5 / La production de molécule organique réduite à partir du RH2 et de l'atp.... 7 6 / LE devenir des molécules réduites produits dans les chloroplastes... 8 7 / Schéma bilan des phases photochimiques et non photochimiques de la photosynthèse... 9 1/9
DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DES MÉTABOLISMES Exercice : compléter le schéma bilan du cycle du carbone Métabolisme : Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques ayant lieu à l'intérieur d'une cellule. Ecosystème : Ensemble, en un endroit donné, des êtres vivants et de leur milieu (sol, eau...). Carbone oxydé / Carbone réduit : C minéral sous forme oxydée (CO 2, HCO 3) et C organique (matière vivante) sous forme réduite (CH 4, C 6H 12O 6 ) Dans les écosystèmes des relations trophiques s'établissent entre les producteurs primaires autotrophes (qui produisent leur matière organique à partir de matière minérale grâce à la photosynthèse) et les divers producteurs secondaires ou consommateurs hétérotrophes (qui produisent leur matière organique à partir de la consommation de matière organique existante). Un écosystème à l équilibre est donc à la fois producteur et consommateur de matière organique : les activités conduisant à la production d O 2 / consommation de CO 2 (autotrophie) sont en équilibre avec celles de production de CO 2 / consommation d O 2 (hétérotrophie). Livre pages 10/11 / Savoir identifier des relations trophiques - producteurs primaires - producteurs secondaires Problème : Comment le carbone passe t il de l état oxydé (minéral) à l état réduite (organique) au sein des végétaux chlorophylliens pendant la photosynthèse? CHAPITRE I - DU CARBONE MINÉRAL AU CARBONE ORGANIQUE 1/ l'entrée du carbone minéral co 2 dans la biosphère Problème : Comment le CO 2 entre t il dans les végétaux? TP 1 - Entrée et distribution du CO 2 dans les feuilles (voir Fiche élève) Dessin d'observation légendé d'une coupe transversale de feuille de chêne Dessin d'observation d'épiderme inférieur de polypode Bilan : Le CO 2 pénètre dans le végétal par les stomates situés principalement sur la face inférieure de la feuille. Le CO 2 peut ensuite être distribué aux différentes cellules à l'intérieur de la feuille. Une cuticule imperméable empêche le CO 2 de sortir ou rentrer de la feuille en dehors des stomates. Les plantes ont la capacité de fermer ou d'ouvrir le stomates en fonction des besoins. 2/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
Livre page 14/15 2 / localisation et conditions générales de la photosynthèse Problème 1 : A quel endroit dans les cellules le CO 2 est-il incorporé sous forme de molécule organique (Recherche de l'amidon)? Problème 2 : Quels sont les conditions nécessaires à la réalisation de la photosynthèse et les phénomènes chimiques associés? TP 2 - La localisation de la photosynthèse au sein des végétaux - Dessin d'élève (au choix) TP 3 - Les réactions associées à la photosynthèse Expérience 1 : On cherche à identifier à quel endroit le CO 2 est-il incorporé dans les cellules? Pour cela on recherche l'endroit où l'amidon (polymère de glucose) est synthétisé ainsi que les conditions dans lesquelles il est synthétisé? On observe au microscope deux lots différents (l'un élevé à la lumière, l'autre élevé à l'obscurité pendant 7 jours) de cellules d'élodéés (algue verte pluricellulaire), de polypode et de mousse colorées au lugol. Le lugol est un réactif de l'amidon. En présence d'amidon le lugol se colore en bleu foncé. On remarque une coloration bleue foncée dans les chloroplastes, uniquement en présence de lumière. On en déduit que la synthèse d'amidon et donc la réduction du CO 2 en glucose (C 6H 12O 6) doit avoir lieu dans le chloroplaste. Expérience 2 : On cherche à identifier à quel type de réaction chimique est associée la photosynthèse (réduction du carbone de CO 2 en C 6H 12O 6)? On observe au microscope deux lots différents de cellules d'élodéés (algue verte pluricellulaire) traités au AgNO 3. AgNO 3 (Ag + - NO 3 est incolore lorsqu'il est sous forme réduite. Par contre il précicpite et devient opaque sous forme métallique Ag). On observe la présence de taches sombres opaques à l'intérieur des chloroplastes, uniquement lorsque les celulles d'élodées sont placées à la lumière. Donc à la lumière, l'ion argent est réduit : Ag + +e - ----> Ag (opaque) (réaction de réduction) Il existe doit donc exister un agent réducteur (un atome dans une molécule) à l'intérieur des chloroplastes qui donne un électron. Cellules de feuilles de mousse Montées dans l'eau (en haut) et dans le nitrate d'argent (en bas). Red --------> Ox + e - (réaction d'oxydation) La photosynthèse du glucose est donc associé à une oxydo-réduction dans les chloroplastes. Expérience 3 : On cherche à savoir dans quelle(s) condition(s) les cellules chlorophylliennes produisent de l'amidon On cultive une plante de géranium dans différentes conditions (Condition 1 : avec lumière et avec CO2, condition 2 : Sans lumière avec CO2; condition 3 : avec lumière sans CO2). Les feuilles de la plante sont décolorées puis trempées dans le Lugol. On remarque alors que seul les feuilles à la lumière et en présence de CO2 ont pu synthétiser de l'amidon. Expérience 4 : On cherche à mesurer les dégagements gazeux associés à la photosynthèse On cultive mesure les bulles dégagées par la tige d'une élodée. On observe que la fréquence de dégazement augmente avec l'intensité lumineuse ainsi qu'avec la quantité de CO2. Une experience permet de montrer que le gaz contenu dans les bulles est du dioxygène. Bilan : L'ensemble des informations ci-dessus permettent d'écrire un bilan provisoire de la photosynthèse. La photosynthèse à lieu dans les chloroplastes, en présence de lumière. La photosynthèse est associé à l'émission d'un électron dans les chloroplastes. 6CO 2 +6H 2 O -------> C 6 H 12 O 6 +6O 2 Fiche elève : Structure et ultrastructure d'un chloroplaste (Thylacoïdes, granum, stroma, espace intra-thylacoïde) Livre page 16-17 (Doc1) 3/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
3 / le rôle des pigments chlorophylliens dans la capture de la lumière Problème : comment prouver que les pigments chlorophylliens (contenus dans les chloroplastes) sont responsables de la photosynthèse? Intensité de la photo-synthèse et longeurs d'ondes de la lumière On peut mesurer la production d'o 2 lors de la photosynthèse pour des éclairages à différentes longueur d'ondes. Plus l'o 2 est dégagé, plus la photosynthèse est active. On obtient ainsi un graphique appelé spectre d'action de la photosynthèse. Ce spectre d'action révèle une forte activité photosynthétique pour les longueurs d'ondes entre 400 et 500 nm (bleu), ainsi qu'entre 600 et 700 nm (rouge). A/ Les différents pigments chlorophylliens Sous -problème : La couleur verte des feuilles (issue de la couleur des chloroplastes) est elle une couleur composée? TP 4 - Chromatographie de la chlorophylle brute Bilan : La chromatographie met en évidence que la chlorophylle brute est en réalité un assemblage de différentes molécules. On retiendra que la chlorophylle est formée de 4 pigments photosynthétiques différents contenus dans les thylacoïdes des chloroplastes. L'absorption globale(voir spectre d'absorption) par les chloroplastres est donc due à la somme de l'absorption par chacun des pigments. vert pâle (Chlorophylle b) vert foncée (Chlorophylle a) jaune (Xanthophylle) orange (β Carotène) B / L'absorption de la lumière par la chlorophylle brute TP 4suite - Extraction de la chlorophylle et détermination du spectre d absorption Bilan : Livre page 18/19 Le spectroscope à main révèle que la chlorophylle brute (ensemble des pigments chlorophylliens réunis) absorbe dans les rayonnements rouge et bleu. Le spectrophotomètre permet de construire précisément l'absorption pour chaque longueur d'onde (en mesurant l'absorbance), la représentation graphique de ces valeursest appelée le spectre d'absorption de la lumière par la chlorophylle. On mesure absorbe la lumière les longueurs d'ondes entre 400 et 500 nm (bleu), ainsi qu'entre 600 et 700 nm (rouge). Les longueurs d'ondes entre 500 et 600 nm sont peu absorbées. Ces longueurs d'ondes correspondent à la couleur verte. Cela explique la couleur verte de la chlorophylle. La corrélation des spectres d'absorption de la lumière par la chlorophylle et le spectre d'action de la photosynthèse permet de supposer que la chlorophylle est à l'origine de la photosyntèse. On dira que la chlorophylle est un pigment photosynthétique. 4/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
4 / le transfert de l'énergie lumineuse en énergie chimique Problème : Comment l'énergie contenue dans la lumière est elle transformée en énergie chimique utilisée ensuite pour la synthèse TP 5 - La réaction de Hill et fluorescence de la chlorophylle de molécules organique (voir Amidon)? - Problème 1 : Comment prouver que les pigments chlorophylliens sont photosensibles? - Problème 2 : Quels arguments a t'on pour montrer qu'il existe dans les chloroplastes des molécules capables d'exploiter la photosensibilité des pigments? A L'oxydation de la chlorophylle photosensible Bilan (Tp partie1) : La fluorescence de la chlorophylle brute révèle que les pigments chlorophylliens sont photosensibles. L'énergie lumineuse est transformé en énergie chimique sous la forme d'un électron excité. Explication de la fluoresence : La fluorescence de la chlorophylle s'observe par une émission d'un rayonnement rouge lorsqu'on éclaire la chlorophylle brute avec une lumière blanche. On interprète cette fluorescence : - Absorption du rayonnement lumineux par un électron de la chlorophylle - L'électron absorbe l'énergie et se retrouve à l'état excité (très instable : il peut alors être capturé par une autre molécule acceptrice d'électrons) - L'électron si il n'est pas capturé par une autre molécule, retombe à son état énergétique initial, libérant ainsi l'énergie absorbée sous forme d'un rayonnement rouge. Chl > Chl + + elec (oxydation de la chlorophylle) B - Retour de la chlorohylle a son état d'équilibre Problème : Comment la chlorphylle récupère t'elle ses électons (afin que la capture de lumière puisse perdurer)? Expérience de Ruben et Kamen (1940) : Identifier l origine de l O 2 formé lors de la photosynthèse L O 2 produit par la photosynthèse provient de H 20 : c est la photolyse de l eau H 20 -> ½ O 2 + 2 H + +2 e -. La photolyse du dioxygène va donner à la chloropylle des électrons perdus par celle-ci lorsqu'elle absorbe la lumière. C - Les deux transferts de l'énergie lumineuse en énergie chimique C1. Transfert 1 : La réduction d'une molécule acceptrice d'électron (Réacion de Hill) Interprétation de la réaction de Hill (TP partie 2) A la lumière,le tube devient vert, donc le DCPIP est incolore, donc le DCPIP est réduit A l'obscurité le tube est de couleur bleu, donc le DCPIP est oxydé. DCPIP (bleu) + 2e - + 2H + > DCPIPH 2 (incolore) 2Chl > 2Chl + + 2e Bilan : La réaction de Hill permet de déduire qu'il existe dans les chloroplastes une molécule du type DCPIP capable de capturer l'électron exité (porteur de l'énergie lumineuse absorbée). On appelera cette molécule R. Dans les chloroplastes R est donc réduit en RH 2lors de la photosynthèse. On dira que R est un accepteur d'électron. R (oxydé) + 2e - (issus de la chlorophylle) + 2H + > RH 2 (réduit) Une partie de l'énergie lumineuse passe donc grâce à cette réduction, de la chlorophylle à la molécule RH 2 (par l'intermédiaire de l'électron de la chlorophylle) 5/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
Bilan des équations d'oxydo-réduction : H 20 + 2 Chl + R (oxydé) + 2e - + 2H + + 2 Chl + -----> RH 2 (réduit) + 2Chl + et --------> ½ O 2 + 2 H + +2 e - + 2chl + -------> ½ O 2 + 2 H + + 2 Chl Soit R + H 20 ---------> RH 2 + ½ O 2 (Lumière + Chloroplaste) Oxydo / Réduction C2. Transfert 2 : le stockage de l'énergie sous forme de molécule d'atp L'énergie contenue dans l'électron de la chlorophylle sert également à constituer un stock d'une molécule facilement utilisable par la cellule : ATP (Adénosine tri-phosphate). Fiche : Synthèse d'une molécule énergétique utilisable par la cellule : de l'adp vers l'atp La synthèse d ATP se fait grâce à une protéine membranaire des thylacoïdes : ATP Synthase ou ATP synthétase. Bilan global de la partie 4/ : L'ensemble des réactions aboutissant à la production d'atp et de RH 2 (ainsi qu'au rejet d'o 2 et la consommation d'h 2O) dans les chloroplastes à partir de l'énergie lumineuse est appelé la phase photochimique ou phase claire de la photosynthèse (car elle ne se fait jamais à l'obscurité, seulement à la lumière). Remarque : A l'issue de la phase photochimique les molécules organiques réduites (du type Amidon (polymère de glucose) terme de la phtosynthèse ne sont toujours pas apparu, et le CO 2 n'a toujours pas été utilisé. 6/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
5 / la production de molécule organique réduite à partir du rh2 et de l'atp. Problème : Comment les produits de la phase claire sont-ils utiles pour la production de molécule organique à partir du CO 2? - Exercice : Expérience de Calvin (p21) - Schéma bilan du cycle (Diaporama) Bilan : La transformation du CO 2 (C à l'état oxydé dans la molécule minérale) en matière organique (C à l'état réduit dans la molécule carbonée) a lieu dans le stroma (voir chloroplaste). Cette transformation utilise les RH 2 (coenzymes réduits) : ces molécules apportent les H pour réduire le CO 2 et l ATP : qui apporte l'énergie chimique nécessaire aux différentes étapes du cycle. L'ensemble ce ces réactions chimiques cycliques regroupées sous le nom de : cycle stromatique de réduction photosynthétique (ou cycle de Calvin). Ce cycle débute par la fixation de CO 2 par le ribulose1-5 bisphosphate (C 5P 2) (accepteur de CO 2). Les réactions ultérieures transforment le C 5P 2 : formation de (PGA : phosphoglycérate) et de (C3P ; triose phosphate). Une partie des trioses phosphates formés sert à la régénération de l accepteur initial de CO 2 : C5P2 en consommant de l ATP. L autre partie des trioses phosphates sert à la synthèse de glucides simple (monosaccharides notamment, acide aminés, nucléotides). Cette phase est non photo-dépendante (elle peut se faire à l'obscurité) était avant appelé phase sombre de la photosynthèse. 7/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
6 / le devenir des molécules réduites produits dans les chloroplastes Problème : Comment les produits de la phase non-photo dépendante sont ils exportés depuis les chloroplastes des feuilles vers le reste de la plante? TP 6 Recherche des molécules réduites dans la sève élaborée et dans les organes de réserves. pb 1 : Quels sont les constituants (molécules) de la sève élaborée (allant des feuilles contenant vers les organes de réserves de la plantes : racine, tubercule, graine...) pb 2 : Sous quels formes (moléculaires) les produits de la sèves élaborées sont-ils transformés dans les organes de réserves? Fiche élève + Diaporama Bilan : Les produits de la photosynthèse sont transportés dans la sève élaborée sous forme de saccharose (dimère glucose/fructose) (90% de la matière sèche de la sève) et d'acides aminés. Une partie de ces molécules est directement utilisé pour assurer le métabolisme celulaires. Une autre partie est stockée dans des organes de réserves (Tubercule, graine...) sous forme d amidon (polymère de glucose) ou d'autres molécules complexes (lipide ou protéines). Sève : La sève est le liquide circulant dans les plantes à travers un système de vaisseaux spiralés. Il existe deux types de sève : La sève brute qui circulent des racines vers les feuilles. La sève brute ne contient que de l'eau et des sels minéraux. La sève élaborée qui circulent depuis les feuilles vers le reste de la plante. La sève élaborée contient les produit de la photosynthèse. 8/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
7 / schéma bilan des phases photochimiques et non photochimiques de la photosynthèse Phase photochimique : Utilise la lumière et H 2O pour produire grâce à la chlorophylle des thylacoïdes de l'atp et des RH 2. = Transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique (utilisable par la cellule). Phase non photochimique : Utilise l'atp et le RH 2 et le CO 2 pour produire dans le stroma des chloroplastes des molécules organiques (réduites). 9/9 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne