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Énergie et cellule vivante
!PLAN
La photosynthèse : la lumière comme source d'énergie
cellulaire
A) La localisation de la photosynthèse
chez les plantes : dans leurs parties chlorophylliennes = vertes
dans les feuilles : au niveau du parenchyme chlorophyllien
dans les cellules chlorophylliennes : dans des organites particuliers = les
chloroplastes
B) Les aspects énergétiques de la photosynthèse : un couplage
photo-chimique
bilan : 6 CO + 6 H O + énergie lumineuse → C H O + 6 O
conversion d'une énergie lumineuse (rayon du soleil) en énergie chimique (liaisons
chimiques du glucose) = conversion photochimique
couplage réalisé dans les chloroplastes grâce à la chlorophylle (pigment
photosynthétique)
C) La phase photochimique de la photosynthèse : la production de
composés réduits et d'ATP
se déroule dans les chloroplastes, au niveau des thylakoïdes
nécessite la chlorophylle : absorbe l'énergie lumineuse
couplage photochimique : oxydation de l'eau en O , production de composés réduits
et d'ATP
bilan : 2 H O + ADP + Pi + 2 R + énergie lumineuse → O + ATP + 2 RH
D) La phase chimique de la photosynthèse : la production de sucres
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se déroule dans les chloroplastes, dans le stroma
cycle de Calvin : production de différents sucres à partir du carbone du CO
utilise les produits de la phase photochimique : couplage chimio-chimique
bilan : CO + ATP + RH → sucre (carbone) + ADP + Pi + R
Transition : la photosynthèse est la voie d'entrée de l'énergie (sous forme lumineuse)
dans les écosystèmes. Celle-ci est captée par les végétaux chlorophylliens qui réalisent
des couplages photo-chimiques menant à la production de sucres. Ces sucres constituent
une source d'énergie pour les cellules, via les mécanismes de respiration et de
fermentation.
La respiration et la fermentation : matière organique et
énergie cellulaire
A) La respiration cellulaire : glycolyse et cycle de Krebs
avec des levures en condition aérobie (= présence d'oxygène) : diminution du taux de
glucose et d'O du milieu, mais augmentation du taux de CO
glycolyse (cytoplasme) = oxydation partielle du glucose
glucose + 2 ADP + 2 Pi + R' → 2 pyruvates + 2 ATP + R'H
cycle de Krebs (mitochondrie) = oxydation complète en 2 cycles
(pyruvate + ADP + Pi + R' → CO + ATP + R'H ) x 2
couplages chimio-chimiques : transformation d'une énergie chimique (glucose) en
une autre énergie chimique (ATP et composés réduits)
B) La chaîne respiratoire mitochondriale : réoxydation des composés
réduits et production d'ATP
nécessité de produire de l'ATP et de nouveau composés oxydés R' pour la respiration
chaîne respiratoire (mitochondrie) = réduction du dioxygène et transfert d'énergie
O + 14 ADP + 14 Pi + 2 R'H → 2 H O + 14 ATP + 2 R'
bilan respiration : C H O + 6 O + 32 ADP + 32 Pi → 6 CO + 6 H O + 32 ATP
C) La fermentation : un couplage chimio-chimique moins efficace
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avec des levures en condition anaérobie (= sans oxygène) : diminution du taux de
glucose, mais lente augmentation du taux de CO et de composés organiques
fermentation alcoolique : glucose + ADP + Pi → éthanol + CO + ATP
fermentation lactique : glucose + ADP + Pi → acide lactique + CO + ATP
deux couplages chimio-chimiques produisant peu d'ATP = moins efficaces que la
respiration, mais plus adaptés à des conditions en anaérobie
Transition : l'énergie lumineuse a été transformée au cours de la photosynthèse en
énergie chimique contenue dans les sucres. Ceux-ci sont ensuite utilisés par les cellules,
permettant la production d'ATP. L'ATP se retrouve finalement au cœur des couplages
énergétiques nécessaires au fonctionnement d'une cellule.
Les couplages énergétiques liés aux fonctions de la cellule
vivante : ATP et fibre musculaire
A) La contraction musculaire : un processus mécanique nécessitant
de l'énergie
obs. : faire du sport nécessite de contracter des muscles et demande de l’énergie
contraction musculaire = raccourcissement mécanique des fibres musculaires
au niveau moléculaire : glissement de protéines cellulaires les unes sur les autres
glissement = mouvement nécessitant de l'énergie sous forme d'ATP
B) L'origine de l'ATP dans une fibre musculaire : respiration et
fermentation lactique
au moins deux origines pour l'ATP musculaire : respiration cellulaire (aérobie) et
fermentation lactique (anaérobie)
hydrolyse de l'ATP et glissement des protéines = couplage chimio-mécanique
bilan : ATP → énergie mécanique + ADP + Pi
C) Bilan sur le rôle de l'ATP dans les couplages énergétiques
cellulaires
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ATP = « monnaie énergétique » produite et utilisée en permanence par la cellule
différents couplages :
photo-chimique (production d'ATP). Ex. : photosynthèse
chimio-chimique (production et utilisation d'ATP). Ex. : photosynthèse,
respiration, etc.
chimio-mécanique (utilisation d'ATP). Ex. : contraction musculaire
Bilan : une cellule est un système vivant qui échange de la matière (O , CO , glucose,
etc.) et de l'énergie (lumière, chaleur, etc.) avec son environnement. Elle est ainsi le siège
de couplages énergétiques qui transforment une forme d'énergie en une autre. L’ATP est
la molécule centrale dans le flux d’énergie cellulaire ; c'est elle qui permet à la cellule de
fonctionner.
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Énergie et cellule vivante
Comprendre et acquérir la démarche expérimentale à partir de
l'expérience historique de Calvin et collaborateurs
!MÉTHODOLOGIE
L'expérience historique de Calvin et collaborateurs
Cette expérience a une dimension historique car :
elle a valu a ses auteurs le prix Nobel de 1961 ;
elle a permis de connaître une bonne partie du cycle de Calvin en peu de
temps, ce qui est dû à l'ingéniosité de son protocole ;
elle a permis d'aller ensuite plus loin dans la connaissance du
fonctionnement énergétique des cellules chlorophylliennes.
En bref, à partir de chlorelles, des algues unicellulaires photosynthétiques,
Calvin et ses collaborateurs ont pu déterminer quelles étaient les molécules
produites par la fixation du CO atmosphérique lors de la photosynthèse. Ils sont
aussi pu déterminer l'ordre d'apparition de ces molécules.
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Les connaissances de l'époque
Les organismes chlorophylliens sont capables de fixer le CO
atmosphérique pour produire des sucres, tels que le glucose ;
ce phénomène qui dégage de l'O est appelé la photosynthèse
(littéralement « synthèse de sucres suite à l’effet de la lumière ») et elle
nécessite de l'énergie lumineuse ;
la question était alors de savoir comment les organismes chlorophylliens
étaient capables de produire des sucres à 6 carbones à partir du CO
(molécule à un carbone).
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Les hypothèses
La fixation du CO atmosphérique en glucose :
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