ébauche corrigé et grile ds3

Eléments de correction du DS n°3 : le dioxygène dans la cellule végétale
Le dioxygène, O2, gaz abondant (20%) dans l’atmosphère terrestre, est une des molécules
échangée, utilisée ou produite dans le métabolisme cellulaire des êtres vivants. Or il s’agit
d’une petite molécule, qui diffuse facilement au travers des membranes. Elle forme avec
H2O un couple d’oxydo-réduction à fort potentiel.
La cellule chlorophyllienne est la cellule eucaryote présente au niveau des feuilles des
végétaux angiospermes et responsable de l’autotrophie vis-à-vis du carbone de ces derniers
grâce aux pigments chlorophylliens contenus dans les chloroplastes.
Quelle est la place du dioxygène dans le métabolisme de la cellule chlorophyllienne et
comment sa structure et ses propriétés conditionnent-elles sa présence dans les réactions
cellulaires ?
Les trois parties proposées traiteront successivement de l’utilisation du O
2
par les
mitochondries, de sa production au niveau des chloroplastes et des conséquences de son
accumulation dans la cellule chlorophyllienne
1. O
2
, un accepteur d’électrons dans le métabolisme aérobie de la cellule
chlorophyllienne
a) Mise en évidence
- Activité respiratoire détectable à l’obscurité des cellules chlorophylliennes en
utilisant une sonde oxymétrique
- Présence de mitochondries en MET dans la cellule ; organites dont le
nombre, l’organisation sont étroitement liés à la teneur du milieu en O
2
.
Rappel des observations comparées d’électronographies de levures en milieu
aérobie et anaérobie.
Dessin / schéma de l’organisation de la mitochondrie
- Exp de modifications des spectres d’absorption des cytochromes de la chaîne
respiratoire en milieu aérobie et anaérobie.
b) L’O
2
, dernier accepteur d’électrons dans la chaîne respiratoire
- Cyanure et cytochrome c oxydase
- Architecture de la chaîne respiratoire,
- Origine des coenzymes redox (NADH,FADH) mais ne pas s’étendre sur le
cycle de Krebs et encore moins sur l‘hélice de Lynen…
- Fondements thermodynamiques des transferts d’électrons, le transfert est
spontané vers l’accepteur final O
2
qui est réduit en eau. ∆G = -nF ∆E
- Dessin/schéma de la membrane interne avec la chaîne respiratoire
c) Potentiel élevé du couple et efficacité énergétique
- Couplage chimio-osmotique puis osmochimique
- Conséquences de l’écoulement du gradient de H+ et synthèse d’ATP

- Dresser un rapide bilan ATP oxydation du glucose en présence de O
2
et le
comparer avec le bilan en absence (fermentation)
La présence d’O2 permet une oxydation totale des métabolites libérant une
quantité importante d’ATP (30 moles environ) pour une mole de glucose. Quelle
est l’origine de O
2
?
Cette même cellule chlorophyllienne possède des organites qui sont
responsables de la production de O
2
en présence de lumière.
2. O
2
, un produit de la photosynthèse
a) Mise en évidence
- Spectre d’action/ spectre d’absorption à partir par exemple des constats
d’Engelmann ou en utilisant une sonde oxymétrique
- Notion de photosystème à dégager à partir des travaux d’Emerson sur les
chloroplastes de Chlorelles.
Bien penser que l’on change d’échelle et d’objet d’étude (la cellule puis le
chloroplaste) Attention Engelmann ne travaille pas sur des Chlorelles mais sur
des algues filamenteuses, les Spirogyres.
b) O2 produit à partir de l’eau
- Mise en évidence (Hill, Ruben et Kamen). Il s’agit de montrer que le O2
provient de l’oxydation de l’eau et cette oxydation ne se déroulant qu’à la
lumière, on parle de photooxydation
Attention,
18
O n’est pas radioactif mais plus lourd que
16
O !
- Deux photosystèmes impliqués, la démonstration établie par Emerson et la
chûte dans le rouge
Ce résultat expérimental est très mal relaté dans les copies
Dessins/schémas : la chaîne photosynthétique au sein de la membrane du
thylakoïde
c) Conséquences énergétiques : synthèse d’ATP et de pouvoir réducteur
- Montrer que la lumière permet un transfert des électrons du couple H
2
O/O
2
vers le couple NADP+/NADPH2
- Bilan en ATP et NADPH par mole d’O
2
libérée, préciser que ces composés
sont utilisés dans le chloroplaste lors de la fixation et la réduction du CO
2
.
Ne pas s’attarder inutilement sur le fonctionnement des ATPsynthases
Le O
2
apparaît donc comme un déchet de la réaction photosynthétique, sa
libération est la conséquence de l’oxydation par les photosystèmes II de la
molécule d’eau en présence de lumière. L’augmentation de la teneur en O
2
dans
la cellule végétale peut s’avérer toxique du fait d’une forme instable et très
réactive du O
2
, l’ion superoxyde.
Par ailleurs, le O
2
dans la cellule chlorophyllienne freine le fonctionnement d’une
enzyme présente dans le chloroplaste.

3. O
2,
un frein aux activités de carboxylation de la cellule chlorophyllienne
a. La dualité fonctionnelle de la rubisco et la photorespiration
- Mise en évidence de la photorespiration
A la lumière il existe un processus générateur de CO2 différant de celui de la
respiration.
- La rubisco est une carboxylase (lente) et une oxygénase ; cette dernière activité est
d’autant plus importante que la teneur en O2 est forte (c'est-à-dire à la lumière) et
freine l’activité de carboxylation qui a lieu dans le cycle de calvin.
Insister sur le fait que la photorespiration ne produit pas d’ATP et évoquer le rôle
probable de contrôle de la teneur en O
2
pour ce processus.
b. Mise en évidence de la carboxylation des C4
Travaux de Hatch et Slack sur la Canne à sucre
c. Spécificités du métabolisme C4
- A l’échelle tissulaire et cellulaire ; une anatomie différente des feuilles de C3/
C4 ; des plasmodesmes relient les deux types cellulaires.
- A l’échelle moléculaire
La PEP carboxylase présente dans le cytosol des cellules du mésophylle
(insensible au dioxygène) et l’absence de rubisco dans ces mêmes cellules.
L’absence de PS2 dans les cellules de la gaine et la présence de rubisco.
Dessin /schéma de la coopération entre les deux cellules
en gardant à l’esprit le sujet toutefois : montrer que la rubisco travaille dans un
environnement ou la teneur en O2 est faible.
Le O
2
est donc produit et utilisé au cours du métabolisme de la cellule
chlorophyllienne au travers de deux processus complémentaires la respiration et la
photosynthèse. Petite molécule, diffusible, l’O
2
au cours des temps géologiques s’est
accumulé dans l’hydrosphère puis dans l’atmosphère pour atteindre la teneur de 20%
actuellement stable ce qui suppose que l’équilibre entre respiration et photosynthèse
est réalisé. Ouverture possible sur le CO
2
et sa teneur actuelle source
d’inquiétudes…
Remarques générales et défauts récurrents :
- Démarches explicatives peu rigoureuses ; expériences relatées sans précision
ou inadaptées à la notion que vous cherchez à démontrer. Rarement les
expériences, les résultats sont illustrés.
- Bases thermodynamiques du fonctionnement des chloroplastes et
mitochondries absentes ; même si ce n’était pas le cœur du sujet, il convenait
d’évoquer les couplages énergétiques dans les chaînes de transfert
d’électrons.
- Peu de choses sur le couple redox H
2
O /O
2
- Réfléchissez à la pertinence des titres et à leur adéquation au sujet ; il faut
proscrire les titres du style : « la photosynthèse » ou « la respiration ». Au
contraire, il faut des titres avec du sens en lien avec le sujet.

- des digressions hors sujet dans des devoirs d’assez bonne qualité ; il n’était
pas nécessaire de détailler le cycle de Krebs ou de Calvin puisque le O2
n‘intervient pas ! il faut faire preuve de discernement, c’est une synthèse pas
une restitution de connaissances ; c’est à vous de faire les choix de
développement judicieux pas au lecteur-correcteur.
- De trop nombreuses copies oublient l’échelle à laquelle le sujet demandait
de se placer : la cellule chlorophyllienne que certains ont visiblement
confondu avec le chloroplaste. Peu de copies présentent des illustrations de
cellules chlorophylliennes.
Certains ont pris l’initiative de faire un schéma bilan, le sujet s’y prétait bien
mais il fallait bien mettre en relief le dioxygène, ses lieux de productions et
d’utilisation.

Introduction Définitions, problématique, annonce du plan 1.5 pt
Qualité du plan 1.5 pt
Qualité des illustrations 2 pt
Orthographe, présentation
et lisibilité
1 pt
Mise en évidence
L’O2, dernier accepteur d’électrons
Partie 1 : O2 accepteur
t efficacité énergétique
5.5
Mise en évidence
O2 produit à partir de l’eau
Partie 2 : O2 produit de la
photosynthèse
Conséquences énergétiques :
5.5
dualité fonctionnelle de la rubisco
Mise en évidence
Partie 3 : O2 frein à la
carboxylation
Spécificités du métabolisme C4
3.5
Conclusion 0.5
Partie 1 0.5
Partie 2 0.5
Qualité démarche
Partie 3 0.5