THEME 1 : Energie et cellule vivante SVT – TS

Prérequis :

� Cellule eucaryote et cellule végétale � Organite � chloroplaste, mitochondrie � Métabolisme : photosynthèse, respiration

THEME 1 Chap1 : La photosynthèse SVT – TS

Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure. La photosynthèse est un processus biologique permettant de produire de la matière à partir de matière minérale et grâce à l’énergie lumineuse.

Comment mettre en évidence la photosynthèse effectuée par les cellules chlorophylliennes ? Quel rôle jouent les chloroplastes dans la photosynthèse ?

Quelles sont les différentes étapes de fixation du CO2 et de la synthèse des molécules organiques ? Comment l’énergie lumineuse est-elle transformée en énergie chimique ?

1. La photosynthèse au niveau cellulaire (TP1) Les cellules chlorophylliennes (= qui contiennent de la chlorophylle = parties vertes de la plante) des végétaux sont autotrophes pour le carbone (= elles produisent elles-mêmes leur source de carbone organique à partir de carbone minéral) à l’inverse des cellules hétérotrophes (qui prélèvent leur carbone organique dans de la matière organique comme les animaux ou les champignons). Les cellules chlorophylliennes sont phototrophes, c’est-à-dire que l'énergie lumineuse constitue la source d'énergie nécessaire aux réactions de la photosynthèse. La photosynthèse est ainsi le mécanisme permettant de synthétiser des molécules organiques (carbone organique) à partir de molécules minérales (CO2, d’H2O) et grâce à l’énergie de la lumière. Elle s’accompagne d’échanges gazeux : absorption de CO2 et rejet d’O2.

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose) + 6 O2

lumière Les cellules chlorophylliennes renferment de nombreux organites spécialisés, les chloroplastes contenant la chlorophylle indispensable à la photosynthèse. La photosynthèse se réalise dans les feuilles (cf. schéma coupe de feuille) et au niveau cellulaire à l’intérieur des chloroplastes.

Schéma de coupe transversale de feuille

(svt.ac-dijon.fr)

� Epiderme : couche d’une seule cellule � Stomate : ouverture dans la feuille pour

permettre les échanges gazeux � Parenchyme : tissu végétal. Le palissadique

est formée de cellules allongées et collées alors que le lacuneux est formés de cellules espacées (les espaces s’appellent lacunes et permettent aux gaz de circuler dans la feuille)

Schéma de cellule végétale

(www.mabiologie.com)

� Mitochondrie : organite dans lequel se réalise la respiration cellulaire

� Chloroplaste : organite dans lequel se réalise la photosynthèse

� Vacuole : organite rempli d’eau qui joue de nombreux rôles dans la cellule.

� Paroi : cadre rigide qui donne entre autre une forme assez géométrique aux cellules végétales.

2. Les pigments chlorophylliens des chloroplastes (TP2) La chlorophylle brute est un mélange de pigments qui peuvent être séparés et caractérisés par chromatographie. Dans la plupart des feuilles vertes, on obtient 2 types de pigments :

� des pigments verts : les chlorophylles a et b qui sont le plus souvent majoritaires

� des pigments plutôt jaunes/orangés : les caroténoïdes. Parmi les caroténoïdes, on trouve le carotène (orangé) et les xanthophylles (jaunes)

Les différents pigments de la chlorophylle brute absorbent certaines radiations lumineuses et donc de l'énergie lumineuse. Le spectre d'absorption de la chlorophylle brute correspond au pourcentage d'absorption de chaque radiation lumineuse. Les radiations absorbées sont principalement situées dans le bleu-violet (400 à 480 nm) et dans le rouge (650 à 700 nm). Le vert n'est pratiquement pas absorbé.

Résultat d’une chromatographie de feuille verte

(http://imagesbiogeolfxm.free.fr/)

Le spectre d’action de la photosynthèse correspond aux radiations efficaces, c'est-a-dire pour lesquelles on observe une photosynthèse importante. En général, les spectres d’action et d’absorption sont superposables, ce qui signifie que les radiations permettant la photosynthèse sont celles qui sont absorbées par les pigments chlorophylliens (principalement les chlorophylles a et b). Le chloroplaste est un organite enveloppé d’une double membrane (interne et externe) et compartimenté, très riche en membranes formant des thylakoïdes empilés (grana) baignant dans le stroma riche en enzymes. On trouve des grains d’amidon à l’intérieur du chloroplaste. L’amidon est un polymère de glucose. Les pigments chlorophylliens photosensibles sont contenus à l'intérieur de la membrane des thylakoïdes.

chloroplaste d’une cellule chlorophyllienne prise au microscope électronique à

transmission (X 18000) (http://svt.ac-besancon.fr)

a : enveloppe constituée de deux membranes b : stroma c : thylakoïde d : grain d’amidon

Schéma de chloroplaste

(http://svt.ac-dijon.fr, modifié)

3. Déroulement de la photosynthèse La photosynthèse se déroule en 2 phases : – La phase photochimique qui se déroule dans les thylakoïdes, permet la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique sous forme d'ATP et de transporteurs réduits RH2. – La phase chimique qui se déroule dans le stroma, permet la synthèse de glucides grâce à l’incorporation du CO2 et aux produits de la phase photochimique. Les deux phases sont donc couplées. L’ensemble des réactions se déroulent dans les chloroplastes grâce à l’intervention de nombreuses enzymes. Globalement, ces réactions sont des oxydoréductions (oxydation=perte d'électrons, réduction=gain d'électrons).

3.1 La phase photochimique de la photosynthèse (TP4) La phase photochimique qui s'effectue au niveau des thylakoïdes, est une oxydoréduction entre l'eau et des transporteurs R. L'eau est oxydée, ce qui entraine la production de protons et d'électrons ainsi qu'un dégagement d'O2.

H2O → 2H+ + 2e

– + 1/2O2

Les transporteurs R sont réduits en RH2. R + 2 H

+ + 2 e

– → RH2

L'énergie nécessaire à cette oxydoréduction est fournie par la conversion de l'énergie lumineuse absorbée par les pigments chlorophylliens en énergie chimique. Le transfert d’électrons nécessaires à la production de RH2 s’accompagne d’un flux de protons du stroma vers le lumen qui s’acidifie. La surface des thylakoïdes porte des ATP-synthases, des enzymes de synthèse. Ces enzymes canalisent le retour des protons vers le stroma en le couplant à la production d’ATP. Le bilan de la phase photochimique est donc :

3.2. La phase chimique de la photosynthèse (TP3) La phase chimique se déroule grâce aux enzymes contenues dans le stroma. Il s'agit globalement d'une oxydoréduction : le CO2 est réduit en molécule organique (glucide) grâce aux RH2 qui sont oxydés en fournissant les H nécessaires à la synthèse des molécules organiques. Cette phase est donc couplée à la phase photochimique car elle nécessite l'ATP et les RH2 produits par la phase photochimique. Le bilan de la phase chimique est donc :

La phase chimique se déroule en plusieurs étapes formant le cycle de Calvin :

� le CO2 se fixe à une molécule de RuBP (ou RuDP) c'est l'accepteur de CO2 � le RuDP se scinde en deux molécules d'APG (acide phosphoglycérique = phosphoglycérate) � grâce à l'ATP et aux RH2, l'APG est réduit en trioses-phosphates (glucides) � une partie des trioses-phosphates servira à régénérer le RuBP et ainsi à boucler le cycle de Calvin � l'autre partie des trioses-phosphates sera le point de départ de la synthèse d'autres molécules organiques