La nature nous en fait voir de toutes les couleurs
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Université Catholique de Louvain Festival des Sciences – UCL, LLN 18 – 20 mars 2002 La nature nous en fait voir de toutes les couleurs Travail présenté dans le cadre de l'agrégation en Faculté des Sciences par: Goffart Alain Remacle Marie-Sylvie Scoubeau Olivier Table des matières Table des matières 2 LA NATURE NOUS EN FAIT VOIR DE TOUTES LES COULEURS 4 I. Mise en situation 4 II. Liens entre les différents concepts 5 III. Liens avec le programme (3e degré) 5 IV Compétences 4.1 Compétences générales 4.2 Compétences scientifiques 4.3 Compétences spécifiques 5 5 5 6 V. Déroulement 5.1 Timing et organisation pratique de la séquence 5.2 Questionnaire de recueil de conceptions / représentations des élèves 5.3 Partie expérimentale 5.3.1 Consignes de sécurité quant à la manipulation du dichlorométhane (CH 2Cl2 ) 5.3.2 Mode opératoire 5.3.2.1 Lien entre la situation-problème et l'expérience pratique 5.3.2.2 Séparation des pigments du paprika par chromatographie sur colonne 5.3.2.3 Modification d'un pigment végétal (anthocyane) en fonction de l'acidité du milieu 5.4 Réponses à la question-problème et réflexion méta-cognitive 5.4.1 Re-formulation en groupes des observations 5.4.2 Interprétation par les élèves des phénomènes observés 5.4.3 De la représentation au concept 5.4.4 Pratique réflexive et méta-cognition 6 6 6 8 8 8 9 9 10 11 11 12 12 13 VI Aspects théoriques 6.1 Physique des couleurs 6.2 Une couleur peut en cacher une autre! 6.3 Relation entre la structure moléculaire et la couleur d’un pigment végétal 6.4 Classification des pigments végétaux 6.4.1 Les pigments photosynthétiques 6.4.1.1 DEFINITION 6.4.1.2 LOCALISATION 6.4.1.3 CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA STRUCTURE MOLECULAIRE a) Les chlorophylles b) Les caroténoïdes c) Les phycobilines 6.4.1.4 FONCTIONS ET PROPRIÉTÉS a) Chlorophylles b) Caroténoïdes c) Phycobilines 6.4.1.5 COULEURS a) Chlorophylles b) Caroténoïdes c) Phycobilines 6.4.2 Les pigments non photosynthétiques (flavonoïdes) 6.4.2.1 DEFINITION 6.4.2.2 LOCALISATION 6.4.2.3 CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA STRUCTURE MOLECULAIRE 13 13 13 14 14 15 15 15 15 15 16 16 16 16 17 17 17 17 17 18 18 18 18 19 La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 2/26 a) Les anthocyanes b) Les leuco-anthocyanes c) Les flavonols, les flavanones et les flavones d) Les isoflavonoïdes (roténone et roténoïdes) e) Les tanins condensés 6.4.2.4 FONCTIONS ET PROPRIETES 6.4.2.5 COULEURS a) Anthocyanes b) Leuco-anthocyanes c) Flavonols d) Flavonones et flavones e) Isoflavonoïdes 19 20 20 21 21 21 23 23 23 23 23 23 VII Bibliographie 24 VIII Annexes 26 La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 3/26 La nature nous en fait voir de toutes les couleurs I. Mise en situation Dans le cadre du festival des sciences et du cours de didactique spéciale des sciences naturelles 2001-2002, SC 2320, nous avons décidé d'aborder le thème des couleurs dans le monde des végétaux supérieurs. Il nous a semblé intéressant que les élèves du troisième degré de l'enseignement secondaire se rendent compte d'une part, de la complexité de l'origine des couleurs dans la nature et d'autre part, de l'utilisation que la plante – et l'homme – peuvent en faire. Comme mise en situation de l'élève, nous avons choisi un pays ensoleillé et riche de couleurs, l'Andalousie. L'étudiant y est représenté comme jeune scout en vacances, qui est chargé d'aller chercher le nécessaire pour préparer une salade. Dans sa conception, il n'imagine pas acheter autre chose qu'une salade verte; le maraîcher lui rétorque qu'une salade n'est pas nécessairement verte et que la nature offre bien d'autres légumes colorés avec lesquels il pourra composer de savoureuses salades. "Tu es au camp scout/guide en Andalousie: soleil, chaleur et farniente sont au rendezvous! Aujourd'hui, c'est la journée des corvées et ta patrouille est chargée de cuisiner pour toute la troupe. Ton C.P. t'envoie faire les courses au marché du village pour acheter de quoi préparer une méga salade. Arrivé(e) sur place, tu vois des échoppes remplies de fruits et de légumes de toutes les couleurs. C'est très beau, mais catastrophe, tu ne vois nulle part de la laitue (verte)!! Dans un espagnol approximatif, tu demandes au maraîcher s'il n'a pas de salade. Celui-ci te répond: "Oye chica/o, se nota que vienes del Norte. Todas las ensaladas no son verdes. ¡Mira aquí, esta profusión de colores! Frutas, flores, verduras… ¿No te gustan los colores de la naturaleza? ¿Porque tiene que ser verde la ensalada?"1 Et voilà que subitement, tu réalises quelque chose qui ne t'avait jamais frappé auparavant et tu te poses les questions suivantes: mais d'où viennent toutes ces couleurs? A quoi servent-elles? …" 1 Eh petit(e), on voit que tu viens du Nord. Toutes les salades ne sont pas vertes. Regarde ici, cette profusion de couleurs! Des fruits, des fleurs, des légumes… Tu n'aimes pas les couleurs de la nature? Pourquoi la salade doit-elle être verte? La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 4/26 II. Liens entre les différents concepts Voir carte conceptuelle en annexe. III. Liens avec le programme (3e degré) Les savoirs abordés dans ce laboratoire peuvent être mis en relation avec les thèmes du programme FESEC (sciences, 3e degré) qui suivent: Sciences de base: * Chimie: notions de pH, acides et bases au quotidien; * Biologie: théorie de l’évolution et dynamique des écosystèmes. Sciences générales: * Physique: la lumière * Chimie: les réactions acides-bases et la nomenclature, propriétés et usages de quelques familles de composés organiques Education scientifique: * Chimie: notions de pH, acides et bases au quotidien IV Compétences 4.1 Compétences générales Interpréter un phénomène (la coloration des végétaux supérieurs) Comprendre le fonctionnement et utiliser une technique (chromatographie) de séparation chimique 4.2 Compétences scientifiques (cf. bibliographie: 1, 4) conceptualiser une phénomène courant en tenant compte éventuellement d'aspects sociaux, économiques, culturels - Le phénomène est ici l’apparition de couleurs différentes chez les végétaux. - Les aspects économiques: Importation de fleurs exotiques, aux couleurs vives, de contre-saison Vente de plantes à certaines périodes de l’année (muguets, roses, chrysanthèmes …) Aménagement des espaces verts urbains (parcs, parterres, ronds-points …) Aménagement des espaces intérieurs Eco-tourisme (floraison exotique, été indien au Canada …) Développement de variétés nouvelles en horticulture et en arboriculture - Les aspects socio-culturels: La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 5/26 Toutes les sociétés du monde ont développé des coutumes liées aux couleurs végétales (alimentation, éco-labels, bouquets de fleurs, plantes vertes d’intérieur, plantes annuelles d’extérieur, rites religieux, érotisme, label de ‘ville fleurie’ …). Dans notre esprit, certaines régions du monde sont automatiquement associées aux couleurs (espèces) végétales: l’orange et le rouge de l'été indien au Canada, le mauve des lavandes de Provence, le vert olive des pays méditerranéens, le jaune et rouge des champs de tulipes des PaysBas, le jaune du colza de Beauce et de Champagne … Les variétés panachées de plantes (lierre, Eonymus, rhododendron, Cornus, Acer …) sont devenues un véritable phénomène de société. Le vert universel semble tout à coup resplendir de couleurs. En quelque sorte, notre inconscient est coloré. Nous vivons par les couleurs et les végétaux sont passés maîtres jongleurs ès-couleurs. 4.3 Compétences spécifiques utiliser une démarche scientifique pour appréhender des phénomènes naturels (coloration des végétaux, alternance saisonnière des couleurs) évaluer l'impact des découvertes et améliorations scientifiques sur notre mode de vie (habitudes alimentaires et culturelles, aménagement des espaces verts …) V. Déroulement 5.1 Timing et organisation pratique de la séquence 0'-5': accueil des participants 5'-15': présentation de la question-problème et recueil des conceptions des élèves 15'-30': présentation des manipulations – consignes générales et consignes de sécurité 30'-1h30': manipulations 1h30'-1h55': réponses à la question-problème, réflexions méta-cognitives (à partir des conceptions de départ) et quelques aspects théoriques sur base des posters 1h55'-2h00': conclusion 5.2 Questionnaire de recueil de conceptions / représentations des élèves Dans un premier temps, les élèves répondront individuellement et par écrit à un questionnaire QCM qui permettra à l'enseignant de recueillir les représentations de ceux-ci quant au thème abordé. La première question fait référence aux prérequis théoriques en physique (la lumière visible, longueur d'ondes, réflexion et absorption…). Les deux questions suivantes font référence à la distinction essentielle entre fonction photosynthétique et autres fonctions chez les pigments végétaux. La question Q.4 permet d'illustrer le fait qu'une couleur peut en cacher une autre et qu'une couleur peut être la somme de plusieurs autres (complexité du vivant). La question Q.5 aborde les aspects strictement chimiques des couleurs que la manipulation expérimentale met en évidence. Les deux La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 6/26 dernières questions concernent les rôles secondaires des pigments végétaux et leurs applications pour l'homme. Avec le questionnaire qui suit, nous nous attendons à recueillir des réponses du type de celles qui suivent: Q.1) l'absorption de la couleur verte donne la couleur Q.2) les couleurs des plantes sont toutes liées à la photosynthèse Q.3) la chlorophylle est le seul pigment impliqué dans le processus de la photosynthèse Q.4) la chlorophylle est responsable de toutes les couleurs végétales Q.5) structure moléculaire: PARFOIS pH: PARFOIS Q.6) les végétaux communiquent avec les animaux (abeilles, papillons…) par les couleurs Q.7) nous supposons que les élèves répondront VRAI pour les trois possibilités. Questionnaire: 1) Les végétaux sont verts parce que la chlorophylle absorbe surtout la composante verte de la lumière du jour. VRAI FAUX JE NE SAIS PAS 2) Tous les pigments végétaux jouent un rôle dans le VRAI processus de la photosynthèse. FAUX JE NE SAIS PAS 3) La photosynthèse est impossible sans la présence du pigment "chlorophylle" VRAI FAUX JE NE SAIS PAS 4) En automne, les feuilles des arbres changent de couleur; VRAI c'est la disparition de la chlorophylle (dominance verte)qui fait FAUX apparaître d'autres pigments végétaux (jaune, rouge, orange…) JE NE SAIS PAS 5) La couleur d'un pigment végétal est influencée par: - sa structure moléculaire JAMAIS / PARFOIS / TOUJOURS La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 7/26 - le pH JAMAIS / PARFOIS / TOUJOURS 6) Les végétaux ont un langage propre, celui des couleurs, qui leur permet de communiquer avec les animaux VRAI FAUX JE NE SAIS PAS 7) Les pigments végétaux ont des applications: - médicales (pharmaceutiques) VRAI / FAUX - nutritionnelles VRAI / FAUX - artisanales et industrielles VRAI / FAUX 5.3 Partie expérimentale 5.3.1 Consignes de sécurité quant à la manipulation du dichlorométhane (CH2Cl2 ) Le dichlorométhane est un solvant très volatil et nocif. Consignes: 1.- Faites toutes les manipulations de remplissage des récipients tels que burette graduée, erlen ou berlin sous hotte à partir du réservoir de dichlorométhane. 2.- Ne pas inhaler les vapeurs de ce solvant. 3.- Revisser immédiatement le bouchon du réservoir après usage. 4.- Ne pas laisser de récipient ouvert avec du solvant. 5.- Jeter le reste de solvant non utilisé dans le réservoir prévu pour sous la hotte. 5.3.2 Mode opératoire Selon le nombre des participants, ceux-ci travailleront pas groupe de deux ou trois. Les trois manipulations seront réalisées par chaque groupe: - Première manipulation: chromatographie sur colonne d'une solution extraite du paprika - Deuxième et troisième manipulations en parallèle: effet du pH sur un anthocyane du chou rouge Lors des manipulations, nous passerons dans les différents groupes et leur poserons des questions pour faire réfléchir les élèves à ce qu'ils sont en trains de faire: - que ce passe-t-il, selon vous? - pourquoi ce changement de couleur? - comment est-ce possible? - comment interpréter ce phénomène? - pourquoi de la ouate? - pourquoi utiliser du sable? - pourquoi ne permet-on pas que la silice ne sèche? - … La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 8/26 5.3.2.1 Lien entre la situation-problème et l'expérience pratique LA CHROMATOGRAPHIE DANS la mise en situation, nous posons la question de l'origine des couleurs végétales. Lors de cette première expérience, les élèves vont avoir l'occasion de réaliser d'une part, que ce sont les pigments qui sont responsables de l'apparition des couleurs végétales et d'autre part, qu'une couleur peut en cacher une ou plusieurs autre(s). Cependant, il sera surtout intéressant de faire observer par les élèves le lien qui existe entre l'apparition d'une couleur, un fait chromatique, et la biochimie moléculaire qu'il y a derrière. En effet, par la méthode de chromatographie, on met en évidence le lien entre la couleur et la structure moléculaire des différents pigments, ce qui permet de séparer une couleur apparemment monochrome par une méthode chimique. C'est à dire qu'une couleur est directement liée à la structure moléculaire du pigment et les élèves vont pouvoir se rendre compte que des structures moléculaires différentes ont des propriétés chimiques différentes (polarité), ce qui leur donne des couleurs différentes. Le rôle des pigments sera aborder après la partie expérimentale (cf. 5.4.3). LE CHOU ROUGE Lors de cette deuxième expérience, qui est en deux parties, le lien est fait entre la couleur et la modification d'une structure moléculaire en fonction de l'acidité du milieu. Pour ce faire, les élèves font varier le pH du milieu dans lequel se trouve un anthocyane (feuilles de chou rouge) et vont observer les modifications de couleur. De nouveau, les élèves vont pouvoir se rendre compte du deuxième facteur qui influence la couleur des végétaux – le pH du milieu – et faire le lien avec la structure moléculaire du pigment végétal (modification de l'emplacement et de la composition des groupements –OH dans la molécule). 5.3.2.2 Séparation des pigments du paprika par chromatographie sur colonne Réactifs - extrait de paprika - solvant et éluant: dichlorométhane (CH2Cl2) - silice (20 g) - sable Matériel - une colonne pour chromatographie - un berlin 250 ml - un peu de ouate - un erlen 250 ml - une burette graduée 100 ml - une baguette de verre - 2 pipettes pasteur 3 ml La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 9/26 Mode opératoire a) Préparation de la colonne !! Attention: ne jamais laisser la silice non recouverte de solvant !!! - fixe la colonne à l'aide d'une pince - ferme le robinet de la colonne - introduis un petit morceau d'ouate au fond de la colonne - verse un peu de solvant sur le morceau d'ouate afin de l'humecter - tasse légèrement l'ouate à l'aide de la baguette de verre - introduis ensuite 20 grammes de silice dans le berlin - sous la hotte, verse 60 ml de solvant dans l'éprouvette graduée, puis verse le solvant dans le berlin contenant la silice - mélange avec une baguette de verre pour obtenir une suspension homogène - place l'erlen sous la colonne et ouvre légèrement le robinet de celle-ci - verse la suspension dans la colonne, en faisant attention de ne jamais laisser sécher le partie supérieure de la colonne en ajoutant régulièrement du solvant et en tapotant légèrement la colonne pour que la silice se tasse - rince le berlin avec du solvant et verse-le dans la colonne - ferme le robinet quand il reste 1 cm de solvant au-dessus du niveau de la silice - recouvre la colonne de sable sur une hauteur de 0,5 cm b) chromatographie sur colonne !!!Attention: ne jamais laisser la silice non recouverte de solvant!!! - élimine le solvant situé au-dessus du niveau du sable en ouvrant légèrement le robinet, puis referme-le - prélève 2 ml de l'extrait de paprika à l'aide d'une pipette pasteur et dépose-le délicatement sur le sable - ouvre le robinet de la colonne pour que l'extrait de paprika s'écoule à travers le sable, puis referme le robinet - dépose délicatement 2 ml d'éluant (solvant) sur le sable à l'aide de la pipette pasteur - remplis ensuite la colonne d'éluant avec l'éprouvette graduée - ouvre légèrement le robinet et laisse couler l'éluant que tu récoltes dans l'erlen - referme le robinet lorsque les pigments sont bien séparés. 5.3.2.3 Modification d'un pigment végétal (anthocyane) en fonction de l'acidité du milieu Matériel et réactifs - chou rouge - boites de pétri - 6 tubes à essais placés sur un support - gélatine alimentaire - casserole La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 10/26 - mixer - eau déminéralisée - pipettes pasteur 3 ml - solutions standards de pH connu (exemple: pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13) Mode opératoire a) extraction du jus de chou rouge - découpe le chou rouge en petits morceaux - broie les morceaux - mixe le broyat et recueille le jus - ajoute au jus une quantité d'eau déminéralisée équivalente b) préparation du gel de diffusion - prends 100 ml de jus de chou rouge préparé au point précédent - coupe en morceaux 3 g de gélatine alimentaire et ajoute-les à la solution - dans la casserole, chauffe le mélange jusqu'à dissolution complète de la gélatine - verse ensuite le mélange dans une boite de pétri sur une épaisseur de 0,5 cm maximum - place au réfrigérateur jusqu'à solidification c) expériences 1- Dans les boîtes de pétri - perce 6 petites alvéoles dans la gélatine à l'aide d'un tube à essais et enlève-les - place une feuille de papier blanche sous la boîte de pétri - verse dans chacune d'elles 5 gouttes d'une solution de pH déterminé et note à l’extérieur sur la feuille blanche en face de chaque alvéole le pH de la solution que tu as versée 2- Dans les tubes à essais - verse dans un tube à essai une solution de pH connu; répète l’opération avec les autres solutions de pH croissant - place un morceau de chou dans chaque tube 5.4 Réponses à la question-problème et réflexion méta-cognitive 5.4.1 Re-formulation en groupes des observations Après la manipulation, chaque groupe d'élèves sera invité à montrer aux autres groupes les produits "colorés" de l'expérience (colonne, boite de Pétri et set d'éprouvettes). Nous demanderons à chaque groupe de formuler oralement ses observations et ses réflexions quant aux manipulations réalisées (migration des pigments, présence de plusieurs pigments dans la couleur du paprika, polychromie de l'anthocyane du chou rouge en fonction du pH…). La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 11/26 5.4.2 Interprétation par les élèves des phénomènes observés Nous demanderons ensuite aux élèves d'essayer d'expliquer les phénomènes qu'ils ont observés sur base de leurs connaissances en sciences. 5.4.3 De la représentation au concept Dans un troisième temps, nous orienterons leur réflexion de manière à les faire formuler par eux-mêmes la théorie sous-jacente à l'expérience, à l'aide de questions/réponses: - polarité des molécules, de l'éluant et de la phase stationnaire (silice) - lien entre la couleur et la structure moléculaire du pigment - effet du pH sur la couleur - distinction entre absorption et réflexion et conséquence sur l'apparition des couleurs - existence de pigments photosynthétiques et d'autres non photosynthétiques Nous terminerons en abordant les rôles secondaires des pigments végétaux (interaction entre la plante et l'animal par les couleurs…) et leurs applications pour l'homme (pharmaceutiques, industrielles, alimentaires, esthétiques…) La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 12/26 5.4.4 Pratique réflexive et méta-cognition En conclusion, les élèves seront invités à reprendre leurs réponses au questionnaire de départ et à analyser ce qui a changé dans leurs représentations des "couleurs végétales". VI Aspects théoriques 6.1 Physique des couleurs (cf. bibliographie: 10, 11) La couleur d’un pigment végétal (comme celle de tout objet) est déterminée par la «partie» de la lumière blanche (lumière du jour) que ce pigment renvoie, c'est à dire reflète vers nos yeux. Cette «partie» de la lumière est celle que le pigment n’absorbe pas. La lumière visible – que l'on appelle aussi la lumière blanche – correspond aux ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 400 et 700 nm. Ces chiffres sont approximatifs, parce que les limites du spectre visible ne sont pas bien définies. De plus, la courbe de sensibilité relative de l'œil aux diverses longueurs d’onde, pour un niveau d’éclairage déterminé, est une courbe en cloche entre 400 et 700 nm. Les couleurs correspondent à des longueurs d’ondes respectives: Entre 200 et 400 nm: ultra-violet (invisible pour l’homme, mais visible pour les insectes, par exemple) Entre 400 et 430 nm: violet Entre 430 et 490 nm: bleu Entre 490 et 560 nm: vert Entre 560 et 580 nm: jaune Entre 589 et 620 nm: orange Entre 620 et 700 nm: rouge Au dessus de 700 nm: infra-rouge (invisible par l’homme) 1 nm = 10-9 m 6.2 Une couleur peut en cacher une autre! (cf. bibliographie: 10, 11) On trouve une infinité de couleurs dans le monde végétal, qui sont dues à la présence de pigments, c'est à dire de molécules organiques souvent complexes. Très souvent, la couleur d’un organe végétal résulte de «l’addition» des couleurs des différents pigments végétaux présents dans cet organe. Un pigment végétal dominant en cache souvent un ou plusieurs autres. Prenons par exemple le cas des espèces caducifoliées des arbres de nos régions tempérées. Pourquoi les feuilles sont-elles vertes en été et jaunes, oranges ou rouges en automne? La couleur verte est due au fait que la chlorophylle a présente deux pics d’absorption correspondant aux composantes bleue et rouge de la lumière blanche et renvoie vers nos yeux la composante verte. Or, outre la chlorophylle a, toutes les plantes supérieures possèdent dans leurs chloroplastes d’autres pigments photosynthétiques dits «accessoires», c'est à dire qui absorbent à des longueurs d’onde légèrement différentes de celles qu’absorbe la chlorophylle a. Les pigments accessoires transfèrent l’énergie des photons à la chlorophylle a. Ces pigments accessoires sont: La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 13/26 - la chlorophylle b, de couleur jaune-vert - les caroténoïdes, qui sont de couleur jaune, orange ou rouge. Comme la chlorophylle a est dominante en terme de concentration dans les chloroplastes, les couleurs des caroténoïdes sont masquées, sauf en automne. En effet, à cette saison, les chlorophylles sont dégradées biochimiquement et les couleurs enchanteresses de l’automne sont donc les couleurs des caroténoïdes (et des anthocyanes – voir point 6.4.2) débarrassées de la domination chromatique des chlorophylles! 6.3 Relation entre la structure moléculaire et la couleur d’un pigment végétal (cf. bibliographie: 2) On rencontre dans la structure des pigments végétaux un même système de liaisons conjuguées (c'est à dire une alternance de liaisons simples C-C et doubles C=C). C’est ce système de diènes conjugués qui est à l’origine de l’absorption de la lumière à certaines longueurs d’onde déterminées, et donc de la couleur particulière de chaque pigment végétal. Ainsi, le cœur de la structure de la chlorophylle forme un relais de liaisons conjuguées. De même, le -carotène possède un système de 11 doubles liaisons conjuguées. Les flavonoïdes possèdent également un système de diènes conjugués dans leurs cycles benzéniques et la multiplicité de leurs couleurs est directement liée à la diversité des fonctions chimiques fixées sur leur noyau de base. 6.4 Classification des pigments végétaux On peut classer les pigments végétaux en deux grandes catégories: les pigments photosynthétiques (qui interviennent dans le processus de la photosynthèse) et les pigments non-photosynthétiques. La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 14/26 6.4.1 Les pigments photosynthétiques (cf. bibliographie: 2, 5, 7, 8, 9, 18) 6.4.1.1 DEFINITION Les pigments photosynthétiques sont des molécules organiques qui captent l’énergie du rayonnement solaire (longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm) dans les cellules des espèces photosynthétiques (bactéries photosynthétiques, algues, mousses, lichens, fougères, végétaux supérieurs) et la transforme en énergie chimique à travers le processus de la photosynthèse. 6.4.1.2 LOCALISATION Chez les végétaux supérieurs, les pigments photosynthétiques colorent les feuilles, mais parfois aussi les fruits, les fleurs ou les organes souterrains (dans ce dernier cas, ils n'ont pas de lien avec l'activité photosynthétique. Par ex.: le carotène de la carotte). Au niveau cellulaire : les pigments photosynthétiques sont situés dans un seul type d’organite cellullaire, les choloroplastes, et plus spécifiquement au niveau des granas résultant de l’empilement des thylacoïdes. 6.4.1.3 CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA STRUCTURE MOLECULAIRE Les pigments photosynthétiques sont classés en trois groupes selon leur structure moléculaire: - Les chlorophylles - Les caroténoïdes - Les phycobilines a) Les chlorophylles Les chlorophylles n’existent que dans le règne végétal. On ne les rencontre pas dans le monde animal. CHLOROPHYLLE a: formule chimique: C55H72O5N4Mg La chlorophylle a est le pigment photosynthétique principal et indispensable, présent chez toutes les espèces photosynthétiques (sauf chez certaines bactéries photosynthétiques). Sa structure moléculaire consiste en un anneau porphyrine azoté (tétrapyrrole cyclique) renfermant en son centre un ion magnésium. Une longue chaîne glucidique est attachée à cet anneau et forme une queue hydrophobe. CHLOROPHYLLE b Il s’agit d’un pigment accessoire, qui est présent chez les plantes mais pas chez certaines algues. Sa structure moléculaire diffère de celle de la chlorophylle a seulement par la présence d’un groupement -CHO à la place d’un groupement -CH3 CHLOROPHYLLE c Il s’agit d’un pigment accessoire que l’on trouve seulement chez certains groupes d’algues et dont la structure moléculaire diffère légèrement de celle de la chlorophylle a. AUTRES CHLOROPHYLLES La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 15/26 Certaines bactéries photosynthétiques contiennent des chlorophylles particulières (chlorophylles chlorobium, bactériochlorophylles a et b) qui sont de simples variations chimiques de la structure de base de la chlorophylle a. b) Les caroténoïdes A la différence des chlorophylles, les caroténoïdes sont des molécules liposolubles et qui se rencontrent à la fois dans les mondes végétal et animal. Le métabolisme animal ne permet pas de synthétiser les caroténoïdes; les animaux utilisent donc les caroténoïdes synthétisés par les végétaux. Les caroténoïdes sont de longues molécules polyisopréniques (c'est à dire résultant de la condensation tête-queue d’un nombre déterminé d’unités isoprène) appartenant à la famille des tétraterpènes. Chaque extrémité de la molécule est formée d’un noyau cyclohexénique non saturé et substitué. On distingue deux groupes de caroténoïdes: - LES CAROTENES: formule chimique C40H56 - LES XANTOPHYLLES: les xantophylles sont des carotènes oxydés. Leur structure moléculaire de base est similaire à celle des carotènes, mais comporte des groupes hydroxyles. c) Les phycobilines Cette troisième classe de pigments photosynthétiques se rencontre spécifiquement chez les cyanobactéries et les algues rouges. Les phycobilines sont hydrosolubles, contrairement aux caroténoïdes. La molécule est un tétrapyrrole à chaîne ouverte et ne contient pas de magnésium (contrairement aux chlorophylles, dont la molécule est un tétrapyrrole cyclique centré sur un atome de magnésium). 6.4.1.4 FONCTIONS ET PROPRIÉTÉS (cf. bibliographie: 3, 19, 23) a) Chlorophylles Capture de l’énergie solaire ( phase claire de la photosynthèse ) La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 16/26 b) Caroténoïdes Les caroténoïdes ont plusieurs fonctions: * Chez les végétaux: - Participation accessoire à la phase claire de la photosynthèse par capture de l’énergie solaire à des longueurs d’onde différentes des chlorophylles et transmission de cette énergie aux molécules de chlorophylle - Protection de la chlorophylle contre la photo-oxydation (antioxydant) Application en agriculture : certains herbicides sont actifs en utilisant le mécanisme de blocage de la biosynthèse des caroténoïdes et provoquent le blanchiment des feuilles qui meurent à la lumière. - Attraction des animaux par coloration des fleurs et des fruits en vue de la pollinisation et de la dispersion des graines * Chez les animaux: - Pigmentation - -carotène: rôle essentiel dans la croissance et la vision (comme chez l’homme) *Chez l’homme, les caroténoïdes sont de plus en plus considérés par les diététiciens comme des phytonutriments qui ont une action protectrice sur la santé. - Le -carotène, que l’homme assimile en se nourrissant de légumes et de fruits, joue un rôle essentiel dans la croissance et la vision. Son oxydation dans l’organisme humain provoque la coupure de la molécule en deux molécules de rétinal, dont la réduction donne naissance à la vitamine A. - Le rétinal participe, en association avec une protéine, à la formation d’un pigment photosensible présent dans la rétine. - Le -carotène a également une action anti-oxydante (neutralisation des radicaux libres) et anticancérigène (cancer du poumon). - Le lycopène: différentes études en cours tendent à montrer que le lycopène de la tomate aurait une action anti-oxydante et des propriétés anti-cancérigènes (cancer de la prostate). - La lutéine: action anti-oxydante et anti-cancérigène (cancer du côlon). c) Phycobilines - Participation accessoire à la phase claire de la photosynthèse par capture de l’énergie solaire à des longueurs d’onde différentes des chlorophylles et transmission de cette énergie aux molécules de chlorophylle. 6.4.1.5 COULEURS a) Chlorophylles Les chlorophylles donnent aux feuilles leur couleur verte caractéristique. b) Caroténoïdes Chez les animaux, les caroténoïdes sont responsables de la couleur des plumes de flamants roses, d’ailes d’insectes, des coraux et même de l’encre noire des seiches. La grande variété de ces couleurs provient des protéines qui sont liées chimiquement aux caroténoïdes: ainsi, la cuisson des homards vivants, qui sont verts foncés ou brunâtres, provoque la rupture de la liaison entre la protéine et le caroténoïde: la couleur du homard vire au rouge orangé, qui n’est autre que celle du caroténoïde libéré. Chez les végétaux: dans les feuilles, les couleurs des caroténoïdes (jaune, orange ou rouge) sont généralement masquées par les chlorophylles vertes qui sont plus abondantes. Les caroténoïdes deviennent visibles quand les chlorophylles se dégradent, c'est à dire quand les feuilles prennent leurs couleurs d’automne dans les régions tempérées. Les caroténoïdes colorent également les fruits, les fleurs ou les racines : La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 17/26 Exemples: CAROTENES α-carotène (orange: paprika) carotène (orange: carotte) Lycopène (rouge: tomate, pastèque, pamplemousse rosé, huile de palme) Note: les différentes couleurs des variétés de tomate sont provoquées par la présence ou l’absence de certains pigments: tomate rouge: la chlorophylle meurt durant la maturation et le lycopène rouge colore le fruit tomate blanche: pas de caroténoïde tomate jaune: présence d’autres caroténoïdes jaunes mais pas de lycopène tomate verte: reste verte parce que la chlorophylle ne meurt pas durant la maturation XANTOPHYLLES Lutéine (jaune: paprika) Capsanthine (rouge: paprika) Zéaxanthine (jaune: maïs) Violaxanthine (violette) Rhodoxanthine (rouge: baie d’if) Crocétine (jaune: colore le safran, extrait des étamines d’une variété de crocus) Canthaxanthine (fleurs) Flavoxanthine (fleurs) Fucoxanthine: (algues brunes) c) Phycobilines Les phycobilines donnent à certaines algues et aux cyanobactéries leurs couleurs caractéristiques: Phycoérythrine: pigment rouge (algues rouges) Phycocyanine: pigment bleu (cyanobactéries) 6.4.2 Les pigments non photosynthétiques (flavonoïdes) (cf. bibliographie: 20, 21, 22) Cette catégorie recouvre principalement la famille des flavonoïdes. Il existe d'autres familles minoritaires et moins représentées, que nous n'aborderons pas ici, par ex.: la betalaïne de la betterave rouge. 6.4.2.1 DEFINITION Les flavonoïdes sont des pigments non photosynthétiques responsables de la pigmentation des plantes. Ce sont des composés polyphénoliques constitués de deux noyaux benzéniques A et B reliés par une chaîne en C3 de trois atomes de carbone. Ils proviennent de l’addition de trois groupements en C2 à de l’acide coumarique. On en a dénombré actuellement plus de trois mille. 6.4.2.2 LOCALISATION Les flavonoïdes sont présents dans toutes les parties des végétaux supérieurs: feuilles, fleurs, fruits, racines, tiges, graines, pollen, bois. Ce sont les pigments les plus importants pour la coloration des fleurs. Leur combinaison avec les caroténoïdes permet l’apparition des La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 18/26 multitudes couleurs caractéristiques des fleurs. Toutefois certains flavonoïdes dans les feuilles peuvent prendre une ascendance sur les chlorophylles et donc la couleur verte. Ainsi les couleurs vives des feuilles d’automne sont dues aux carotènes ainsi qu’à la transformation de grandes quantités de flavonols incolores en anthocyanes (tous les deux des flavonoïdes) lorsque la chlorophylle se dégrade. Les feuilles semblent donc en quelque sorte se transformer en fleurs durant quelques semaines par un jeu subtil de pigmentation. Au niveau cellulaire, les flavonoïdes sont synthétisés dans les chloroplastes puis migrent et sont dissouts dans les vacuoles. Ils interviennent également comme constituants de plastes particuliers appelés chromoplastes. 6.4.2.3 CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA STRUCTURE MOLECULAIRE On classe les flavonoïdes sur base du nombre, de la position et de la nature des substituants (groupements hydroxyles -OH et methoxyles –OCH3 principalement), sur base des deux cycles aromatiques A et B et sur base de la chaîne de carbone intermédiaire: On distingue: - les anthocyanes les leuco-anthocyanes les flavonols, flavanones et flavones les isoflavonoïdes (roténones et roténoïdes) les tanins condensés a) Les anthocyanes Les anthocyanes sont les pigments responsables des couleurs vives des fleurs mais on les retrouve également dans les fruits et les autres parties des plantes. Elles absorbent dans le visible, sont hydrosolubles et dissoutes dans les vacuoles des cellules épidermiques. La structure de base commune à toutes les anthocyanes est le cation flavylium (2-phényl-1benzopyrilium) où un atome d’oxygène forme un pont entre la chaîne de carbone et le cycle A. Presque toutes les gammes de couleurs des fleurs sont dues à la présence de groupes hydroxyles et/ou méthoxyles sur les cycles A et B ou sur la chaîne les reliant. Les groupes hydroxyles peuvent être glycolysés par des sucres (ce qui permet une meilleure solubilité et une plus grande stabilité des molécules), eux-mêmes acylés éventuellement par des acides tels que l’acide cinnamique, caféique ou encore malonique. Mais quels sont les facteurs influençant la coloration? - - L’acidité (pH) est un facteur prépondérant. Le pH dans les vacuoles varie de 2,5 à 7,5. L’anthocyane peut prendre des colorations allant du rouge-orange en milieu acide au bleu-mauve en milieu alcalin. Exemple de la cyanidine: rouge en milieu acide violette en milieu neutre bleue en milieu basique. Le degré d’hydroxylation du cycle B. Si ce dernier augmente, l’effet "bleuissement" va croissant. La méthylation en position 3’ et 5’ modifie la couleur du pigment vers l’orange Nom Apigéninidine Lutéolinidine Tricétinidine Pélargonidine Aurantinidine Cyanidine Nomenclature Ap Lt Tr Pg Au Cy 3 H H H OH OH OH 5 OH OH OH OH OH OH 6 H H H H OH H 7 OH OH OH OH OH OH 3' H OH OH OH H OH La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 4' OH OH OH H OH OH 5' H H OH H H H Couleur à pH < 1 orange orange rouge orange orange orange-rouge 19/26 5-Méthyl 5MCy OH cyanidine Péonidine Pn OH Rosinidine Rs OH 6-Hydroxy 6OHCy OH cyanidine Delphinidine Dp OH Pétunidine Pt OH Malvidine Mv OH Pulchéllidine Pl OH Europinidine Eu OH Capensinidine Cp OH Hirsutidine Hs OH Tableau présentant différentes anthocyanes - - OMe H OH OH OH H orange-rouge OH OH H H OH OMe OMe OMe OH OH H H rouge rouge OH OH OH OH OH H rouge OH OH OH OMe OMe OMe OH H H H H H H H OH OH OH OH OH OH OMe OH OMe OMe OH OMe OMe OMe OH OH OH OH OH OH OH OH OH OMe OH OH OMe OMe violet violet violet violet violet violet violet La glycolysation en position 3’, 5’ ou 3 entraîne également la coloration orange. La co-pigmentation intramoléculaire ou intermoléculaire est une association entre plusieurs pigments dont un flavonoïde. Elle dépend du pH vacuolaire, de la nature du solvant, de la température, de la structure et la concentration de l’anthocyane et du co-pigment, ainsi que de la présence de sels métalliques. Le co-pigment est soluble dans l’eau et souvent incolore. Les flavones par exemple sont des co-pigments très fréquents dans les plantes. Cet effet de co-pigmentation augmente avec le degré de méthoxylation et glycosylation de l’anthocyane. Les formes incolores d’anthocyanes s’associent parfois avec des macrocycles tel que les cyclodextrines, ce qui empêche une co-pigmentation éventuelle. L’auto-association entre formes colorées des anthocyanes. La complexation avec un métal (chélatation). L’ion métallique (Mg,Al,Fe,…) joue un rôle intermédiaire entre deux ou trois molécules d’anthocyanes acylées et permet d’expliquer l’effet de bleuissement de certaines fleurs. La formation des anthocyanes est favorisée par la lumière et les basses températures (ce qui explique la pigmentation souvent éclatante des plantes de montagnes). Leur synthèse est semble-t-il sous la dépendance du chloroplaste et stimulée chez certaines plantes lors d’un traumatisme ou d’une infestation par un parasite. Malgré leur pouvoir colorant, les anthocyanes sont peu utilisées dans l’industrie alimentaire et cosmétique, en raison de leur instabilité (perte ou changement de couleur) vis à vis des facteurs physico-chimiques (lumière, température et acidité) et des réactions avec les agents conservateurs des aliments (dioxyde de soufre par exemple). b) Les leuco-anthocyanes Elles sont incolores et se rencontrent fréquemment dans les tiges et les feuilles. Elles portent deux groupements hydroxyles sur la chaine de carbone réunissant les noyaux benzéniques. c) Les flavonols, les flavanones et les flavones Ils absorbent des longueurs d’onde plus courtes que les deux groupes précédents. Ils absorbent en effet dans l'ultraviolet et sont (à l’exception des flavonols pouvant colorer en jaune) invisibles à nos yeux, alors que les insectes les perçoivent parfaitement. Les trois groupes présentent une double liaison oxygène sur le premier carbone (C4) de la chaîne intermédiaire aux benzènes. Les flavones ont en outre une double liaison entre les deux autres carbones de cette chaîne et les flavonols également cette double liaison et un groupement hydroxyle sur le dernier carbone libre. La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 20/26 d) Les isoflavonoïdes (roténone et roténoïdes) Ce sont des substances complexes pentacycliques dérivées d’un noyau isoflavone. Ils ont une action insecticide (exemple du Lonchocarpus et du Derris) et antioestrogène causant l’infertilité des mammifères. e) Les tanins condensés Ce sont des polymères non hydrolysables de certains flavonols et de leuco-anthocyanes (on les appelle parfois proanthacyanidines). Les tanins peuvent entraver la croissance et la survie de certains herbivores qui les ingèrent, raison pour laquelle ces derniers les évitent habituellement. Les tanins sont considérés en principe comme des molécules à éliminer par la cellule (déchets du métabolisme), voire des toxines. Ils disparaissent lors de la maturation de nombreux fruits et sont synthétisés en abondance chez certaines plantes parasitées ou encore par l’attaque d’une plante voisine. Ils sont présents à des concentrations relativement élevées dans les feuilles de plantes ligneuses très diverses. Les associations des tanins avec les protéines vont influencer des facteurs tels que le goût et la valeur nutritionnelle de certains aliments. En inhibant certaines enzymes dans la nourriture, les tanins peuvent entraver la croissance et la survie de certains herbivores qui les ingèrent, raison pour laquelle ces derniers les évitent habituellement. L’un des tanins les plus connu est la Procyanidine B1 des raisins, qu'on retrouve dans le vin rouge. 6.4.2.4 FONCTIONS ET PROPRIETES (cf. bibliographie: 3, 19, 23) Le rôle des flavonoïdes est multiple. La coloration des fleurs par les anthocyanes joue un rôle primordial dans la pollinisation et la dissémination des graines. Si tous les flavonoïdes n’absorbent pas dans le visible, ils présentent tous une bande dans l'ultraviolet proche du visible, qui eux sont détectables par les insectes. Les changements de couleur des fleurs sont également des signaux qui informent les pollinisateurs de la présence de nourriture. Les autres flavonoïdes ont des fonctions plus difficiles à cerner. intervenir: - - - - Ils pourraient dans des réactions d’oxydo-réduction (croissance, respiration, morphogenèse) comme protecteurs des autres pigments vis-à-vis de la lumière et des U.V. Dans les feuilles par exemple, certains flavonoïdes (flavonols, flavanones et flavones) absorbent les UV lointains, dangereux pour les acides nucléiques et les protéines. Ils laissent sélectivement passer les ces longueurs d'ondes situées dans les bandes bleu-violet et rouge, importantes pour la photosynthèse. dans certains processus de développement tels que la germination par la modification d’équilibres enzymatiques ou encore dans des processus d’activation tels que l’attirance des bactéries fixatrices d’azote chez les légumineuses. dans des réactions de résistance aux infestations virales, aux insectes, aux champignons. dans le domaine médical, on leur reconnaît des propriétés anti-virales, anti-tumorales, antiinflammatoires, anti-allergiques. La procyanidine B1 du vin rouge par exemple protégerait l’homme contre l’infarctus du myocarde. dans le domaine horticole, la recherche de nouvelles variétés de fleurs aux couleurs vives ou multiples est devenu l’apanage de certains pays. On ne compte plus les variétés de roses, La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 21/26 d’œillets, de chrysanthèmes différentes sur le marché. Les variétés panachées (coloration blanche ou crème avec le vert) de plantes rampantes, d’arbustes ou d’arbres sont présentes sur tous les continents et sous toutes les latitudes (lierre, pervenche, rhododendron, eonymus, laurierrose, hibiscus,…). La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 22/26 6.4.2.5 COULEURS a) Anthocyanes Les anthocyanes colorent les plantes en bleu, rouge, mauve, rose ou orange. Comme décrit plus haut, l’apparition des couleurs des fleurs est sous la dépendance de nombreux facteurs. Elles donnent les couleurs rouge-orange aux feuilles d’automne en combinaison avec les carotènes et la couleur rouge et mauve de nombreux fruits et légumes (myrtille, raisin, fraise, cassis, chou rouge, radis …). b) Leuco-anthocyanes Incolores c) Flavonols Colorent certaines fleurs en jaune, bien que cette couleur soit due généralement aux caroténoïdes. d) Flavonones et flavones Incolores avec sur les fleurs des reflets ivoire et crème. e) Isoflavonoïdes Probablement incolores La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 23/26 VII Bibliographie LIVRES 1. Alpha Flore, Encyclopédie des plantes, des fleurs et des jardins/ Alpha. 2. Arnaud P., Cours de chimie organique, 15ème édition, Dunod, Bordas, Paris, 1993. 3. Auquière Jean-Pierre, Le langage chimique des plantes, ICAFOC, Journées de recyclage CHIMIE VERTE, UCL, Louvain-la-Neuve, 2002 4. Bordas / sélection du reader’s digest, Grande encyclopédie des plantes et fleurs de jardin 5. Cambell & Mathieu, Biologie, Edition du renouveau pédagogique Inc.; 1995. 6. Gnagnarella A., Hautier P., Mahieu B., Speliers N., Travaux pratiques, ICAFOC, Journées de recyclage CHIMIE VERTE, UCL, Louvain-la-Neuve, 2002 7. Guignard J.-L., Abrégé de biochimie végétale à l’usage des étudiants en pharmacie, , Masson, Paris, 1979. 8. Hart H., Chimie organique Interédition. 9. Lehninger A.H., Biochimie, Flammarion Médecine Sciences, Paris, 1981. 10. Moore, Clark & Stern, Botany, W.C. Brown publisher, 1995 11. Raven, Evert, Eichhorn, Biologie végétale, De Boeck Université, 2000. 12. Travaux pratiques de chimie organique, cours CHIM 1170, UCL, Département de chimie, Louvainla-Neuve, 1997-1998. SITES INTERNET 13.http://www.123bio.net/cours/chromato/adsorption.html 14. http://www.agers.cfwb.be/index1.asp 15. http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/oc/terpene/carotin_en.html 16. http://www.elc-eu.org/enumberfr.htm 17. http://free-graphics.com/cgi-bin/imageFolio_main.cgi?direct=clipart 18. http://www.i-a-s.de/IAS/botanik/d49/8.htm 19. http://www.inra.fr/internet/Directions/DIC/PRESSE/JUIL98/nb4.html 20. http://www.multimania.com/mourad/anthocyanes.html 21. http://www.multimania.com/mourad/flavonoides.html 22. http://www.multimania.com/mourad/polyphenols.html 23. http://www.nutricombiodiet.com/fr/tema3.html 24. http://www.ping.be/~ping6998/chou.htm La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 24/26 25. http://www.uni-bonn.de/fslemi/gewuerze/html/stralsklasse/xantho.html 26. http://www.users.imaginet.fr/~pol/1chou&PH.html La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 25/26 VIII Annexes Carte conceptuelle La nature nous en fait voir de toutes les couleurs – Festival des sciences LLN - mars 2002 26/26
