Cours TS Spe SVT 2010/2011 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 / Conditions et localisation de la photosynthèse... 3 3 / Le rôle des pigments chlorophylliens dans la capture de l'énergie lumineuse... 4 A / Le spectre d'action de la photosynthèse et d'absorption de la chlorophylle... 4 B/ Les différents pigments chlorophylliens... 4 4 / Transfert de l'énergie lumineuse en énergie chimique : phase photo-chimique de la photosynthèse... 5 A L'oxydo-réduction dans les chloroplastes... 5 B - La réduction de la chlorophylle... 6 5 / Fixation du carbone minéral par la plante et utilisation des produits de la phase photochimique (ATP et RH2) : La phase non photochimique... 7 6 / Le transport et le stockage des produits de la photosynthèse... 8 7 / Schéma bilan des phases photochimiques et non photochimiques de la photosynthèse... 8 CHAPITRE II - IMPORTANCE DE L ATP LE MÉTABOLISME CELLULAIRE : UTILISATION ET RÉGÉNÉRATION DE L ATP... 9 1 / Le rôle de l ATP dans les mouvements des cellules... 9 2 / la régénération de l ATP... 10 A / La régénération de l ATP en présence d oxygène dans mitochondrie : régénération aérobie... 10 1/10
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 / 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. Livre page 14/15 2/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
2 / conditions et localisation de la photosynthèse Problème : Comment le CO 2 est il utilisé dans les végétaux? TP / La localisation de la photosynthèse au sein des végétaux (Voir Fiche élève) Expérience 1 : On cherche à savoir dans quelle(s) condition(s) les cellules chlorophylliennes produisent de l'o 2. On place dans une enceinte des euglènes (algue unicellulaire chlorophyllienne). L'enceinte est munie d'une sonde à O2 permettant de mesurer la quantité de O2 dans l'eau. Ainsi on peut suivre les échanges de dioxygène entre les euglènes et l'eau. (voir le graphique ci-contre). On mesure ces échanges dans 2 conditions. On remarque qu'à la lumière les euglènes dégagent de l'o 2 tandis qu'à l'obscurité elles prélèvent de l'o 2. La lumière est donc un élément essentiel de la production d'o 2 par les cellules chlorophyllienne. Expérience 2 : On cherche à identifier à quel endroit le CO 2 est-il réduit 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 de cellules d'élodéés (algue verte pluricellulaire) 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 3 : 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. Fiche elève : Structure et ultrastructure d'un chloroplaste (Thylacoïdes, granum, stroma, espace intra-thylacoïde) Livre page 16-17 (Doc1) 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. C'est une réaction d'oxydo-réduction amenant dans un premier temps à la fabrication de glucose, puis à la polymérisation du glucose en amidon. 6CO 2 +6H 2 O -------> C 6 H 12 O 6 +6O 2 puis n C 6H 12O 6 -------------->(C 6H 10O 5) n+ nh 2O Problème : Quelle molécule libère un électron lors de la photosynthèse? 3/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
3 / le rôle des pigments chlorophylliens dans la capture de l'énergie lumineuse A / Le spectre d'action de la photosynthèse et d'absorption de la chlorophylle TP - Extraction de la chlorophylle - spectre d absorption - spectre d'action Bilan : Livre page 18/19 Le spectrophotomètre permet de construire le spectre d'absorption de la lumière par la chlorophylle. On remarque ainsi que la chlorophylle absorbe la lumière. Cependant l'absorption de la lumière visible n'est pas totale, seules les longueurs d'ondes entre 400 et 500 nm (bleu), ainsi qu'entre 600 et 700 nm (rouge) sont absorbées. Les longueurs d'ondes entre 500 et 600 nm sont peu absorbées. Ces longueurs d'ondes correspondent à la couleur verte. Cela explique la pigmentation (couleur) verte de la chlorophylle. De plus 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 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). 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. B/ Les différents pigments chlorophylliens TP - Chromatographie de la chlorophylle brute et spectres d'absorptions des pigments Bilan : La chromatographie met en évidence que la chlorophylle brute est en réalité un assemblage différentes molécules. On retiendra que la chlorophylle est formée de 4 pigments photosynthétiques différents contenus dans les thylacoïdes des chlorplastes. L'absorption globale(voir spectre d'absorptionà) 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) de 4/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
4 / transfert de l'énergie lumineuse en énergie chimique : phase photo-chimique de la photosynthèse A L'oxydo-réduction dans les chloroplastes Bilan : La chlorophylle brute isolée émet un rayonnement rouge foncé lorsqu'elle est éclairé fortement. 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. Hypothèse : Lorsque la chlorophylle est dans les chloroplastes, cette fluorescence ne n'a pas lieu car l'électron est capturé par une molécule accepteur d'électron. Il y a donc un couplage absorption de lumière avec réaction de réduction d'une molécule acceptrice d'électron. Chl > Chl + + elec (oxydation de la chlorophylle) On observe qu en éclairant une solution de chlorophylle brute (séparée des chloroplastes) celle-ci émet un rayonnement (photon) rouge. Tandis qu une solution de menthe (verte aussi) n émet aucun rayonnement dans les mêmes conditions. La différence entre les deux c est que la menthe absorbe le rayonnement lumineux et le transforme en chaleur, tandis que la chlorophylle absorbe le rayonnement lumineux et le transforme en chaleur mais aussi en photon (moins énergétique = rouge) A l échelle atomique l absorption de lumière se caractérise par le passage d un électron d état fondamental à un état excité (l électron acquière alors une énergie potentielle). L émission de chaleur se fait lorsque l électron retrouve son état initial (10-9 sec). TP - La réaction de Hill Résultats : 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 valide l'hypothèse du couplage de l'absorption de la lumière et d'une réaction de réduction. Il existe donc une molécule R dans les chloroplastes qui est réduit lors de la photosynthèse. On dira que R est un accepteur d'électron. R (oxydé) + 2e - + 2H + > RH 2 (réduit) L'énergie lumineuse passe donc grâce à cette réduction, de la chlorophylle à la molécule RH 2. 5/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
B - La réduction de la chlorophylle Problème : Comment la chlorphylle récupère t'elle ses électons (afin que la capture de lumière puisse perdurer)? Suite du TP réaction de Hill 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 -. Bilan des équations d'oxydo-réduction : Fiche ATP / ADP R (oxydé) + 2e - + 2H + > RH 2 (réduit) et H 20 > ½ O 2 + 2 H + +2 e -. Soit R + H 20 > RH 2 + ½ O 2 (Lumière + Chloroplaste) Oxydo / Réduction Bilan de la phase photochimique ou phase claire de la photosynthèse : L énergie lumineuse frappe la chlorophylle présente dans les membranes des thylakoïdes. Cette énergie lumineuse est alors absorbée par un électron de la chlorophylle. L énergie contenue dans l électron, va être transformée (grâce à des protéines de la membrane des thylakoïdes) en énergie chimique sous la forme d une molécule d ATP. Ces réactions sont couplées avec : - une photolyse de l eau qui permet de remplacer les électrons perdus par la chlorophylle. - une réduction de R, l accepteur d électron en RH2. La synthèse d ATP se fait grâce à une protéine membranaire des thylacoïdes : ATP Synthase ou ATP synthétase. Au terme de la phase claire de photosynthèse, la cellule dispose de : RH 2 et ATP. Elle a rejeté de l O 2. 6/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
5 / fixation du carbone minéral par la plante et utilisation des produits de la phase photochimique (atp et rh 2) : la phase non photochimique Problème : A quel moment et dans quelle condition la plante va t elle réduire le carbone minéral et produire des molécules Exp. de Calvin p21 / Schéma bilan du cycle organiques réduites? Bilan : La phase non photochimique consiste à transformer le CO 2 (C à l'état oxydé dans la molécule minérale) en matière organique (C à l'état réduit dans la molécule carbonée) au sein du stroma (voir chloroplaste). Cette transformation utilise les RH 2 (coenzymes réduits) et l ATP produits par la phase photochimique (voir 4.B/). Cette phase aboutit à la fabrication de matière organique (par production de glucides). Le cycle stromatique de réduction photosynthétique (ou cycle de Calvin) 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. 7/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
6 / le transport et le stockage des produits de la photosynthèse Piste d exploitation p22 Doc1 Problème : Que deviennent les produits réduits de la photosynthèse? TP Recherche des formes de stockage des molécules réduites (Sève élaborée du sirop d'érable, Amyloplastes dans le parenchyme de réserve de pomme de terre...) Bilan : Les glucides produits par le cycle de réduction stomatique du carbone vont être progressivement transformé en différentes molécules organiques (acides aminés permettant la synthèse de protéine, lipides ). Une partie des glucides produits est utilisée par les cellules pour assurer son métabolisme (activité moléculaire de la cellule permettant son fonctionnement) Une autre partie est transportée par la sève élaborée et stockée dans des organes de réserves (Tubercule, graine...) sous forme d amidon (polymère de glucose) ou d'autres molécules complexes (lipide ou protéines). 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). 8/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
CHAPITRE II - IMPORTANCE DE L ATP LE MÉTABOLISME CELLULAIRE : UTILISATION ET RÉGÉNÉRATION DE L ATP 1 / le rôle de l atp dans les mouvements des cellules Pb : D'où provient l'énergie permettant un mouvement cellulaire? TP Contraction du muscle du lapin et mouvement des cellules musculaires Bilan : Un muscle est un tissu contractile (contraction / relâchement). Il est formé d'une juxtaposition de faisceaux musculaires. Chaque faisceau est lui même formé cellules musculaires longiformes striées. On les appelle les fibres musculaires striées. Enfin chaque fibre musculaire est elle même formé d'un assemblage parallèle de myofilaments (longues protéines) de deux type : myofilament d'actine et myofilament de myosine. La contraction et le relâchement du muscle sont causés à l'échelle moléculaire par une contraction et un relâchement du couple myosine / actine. Livre page 35 La contraction des fibres musculaires nécessite un apport en ATP. L'hydrolyse de l'atp en ADP + P libére de l'énergie utilisable par la cellule. Cette observation réalisée sur les cellules musculaires est extrapolable à tout travail cellulaire: Activité cellulaire = Besoin en ATP 9/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne
2 / la régénération de l atp Exercice : Doc2 p36 / Quelle information apporte l analyse du doc2? Problème : Comment une cellule hétérotrophe (qui ne peut donc pas réaliser la phase photochimique) va-t-elle régénérer l ATP? Hypothèse : Les molécules organiques tels que le glucose contiennent de l énergie chimique. Leur dégradation (oxydation) peut libérer de l énergie qui sera utilisée par les cellules pour régénérer l ATP. A / La régénération de l ATP en présence d oxygène dans mitochondrie : régénération aérobie TP : Respiration dans les mitochondries de la carotte Bilan : En présence d oxygène, les cellules peuvent régénérer (synthétiser) de l ATP grâce à l'oxydation du glucose. Cette oxydation se déroule dans deux lieu différents : le cytoplasme, puis la mitochondrie. 1ère partie dans le cytoplasme de la cellule : - La glycolyse et la production de pyruvate Bilan : La première étape de la dégradation du glucose se déroule dans le hyaloplasme: c est la glycolyse ou oxydation du glucose en pyruvate. Elle s accompagne de la production de composés réduits R'H2 (proches des composés RH2 fabriqués au cours de la photosynthèse) et permet la synthèse de 2 molécules d ATP par molécule de glucose oxydé. C 6H 12O 6 + 2 R' 2 CH 3COCOOH + 2 R'H 2 2ième partie dans les mitochondries La dégradation aérobie du pyruvate Bilan : Le pyruvate pénètre dans les mitochondries. Dans la matrice des mitochondries, le pyruvate subit une décarboxylation oxydative (libération du CO 2). Cette décarboxylation produit des composés réduits R'H2 et un peu d'atp. 2 CH 3COCOOH + 6 H 2O + 10 R' 6 CO 2 + 10 R'H 2 Enfin, les molécules réduites R'H 2 sont oxydées à la surface des crêtes mitochondriales. Cette oxydation est couplée à la réduction de l'o 2 en H 2O et au passage des H + dans l'espace intermembranaire. Le gradient de H+, en passant à travers les protéines ATP synthase ou synthétase, va régénérer l'atp. Cette étape est très fortement productrice d'atp. (10+2) R'H 2 + 6 O 2 12 R' + 6 H 2O+ 6 H 2O BILAN global : C 6H 12O 6+ 6 O 2 6 H 2O + 6 CO 2 + 36 ATP Document : Schéma légendé de la mitochondrie 10/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne