b3-supp - Cours Poncet

SVT - TS
B. Plantes à fleurs - 3. Photosynthèse
B3. Activités cellulaires - Photosynthèse
Les cellules des angiospermes, comme tout autre cellule, réalise un grand
nombre d’activités cellulaires comme la synthèse de différentes molécules
organiques. Toutes ces réactions biochimiques ont besoin d’énergie. La
molécule énergétique utilisée par les cellules est l’ATP. Grâce à elle, les
cellules peuvent avoir une activité biochimique variée. Le recyclage d’ATP se
fait par un mécanisme cellulaire particulier : la respiration cellulaire.
Les plantes, aux contraires des animaux, produisent directement le sucre
nécessaire à la respiration cellulaire lors d’une autre activité cellulaire : la
photosynthèse.
è Analyser des documents
Doc 8 Production d’amidon dans les feuilles
Deux plants de pélargonium et de Coleus sont placés à la lumière
pendant 48h. L’un des plants est un plant de couleur unie (les feuilles
sont entièrement vertes) et l’autre est un plant panaché (les feuilles
présentent des zones blanches et des zones vertes). On recouvre
quelques feuilles de caches partiels.
Les feuilles sont ensuite passées :
1. Dans l’eau bouillante (tue les feuilles)
2. Dans l’alcool bouillant (dissolve le solvants)
3. Dans le lugol (se colore en bleu en présence d’amidon)
Doc 9 Une expérience sur l’élodée
L’élodée est une algue très utilisée en recherche. Facile à conserver, ses
feuilles ne sont composées que de deux couches cellulaires, ce qui rend
l’observation des cellules facilitée.
Dans l’expérience ci-contre, un fragment d’élodée est placé dans l’eau et à
la lumière. Le fragment se recouvre de bulles qui remontent à la surface.
Recueilli grâce à un entonnoir dans une éprouvette, ce gaz entretient les
combustions.
Un deuxième montage similaire est réalisé. Les végétaux sont cette fois
placés à l’obscurité. Aucune formation de gaz n’est observée.
1) Quelles conclusions peut-on tirer de ses résultats ?
2) Selon vos connaissances, quelle réaction a lieu dans ces expériences ?
Proposer des expériences pour le démontrer.
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B3.a Anatomie d’une feuille
Les feuilles sont l’organe de la photosynthèse. Leur structure est donc réalisée
de manière à :
- favoriser les échanges gazeux : des structures particulières permettent
un échange gazeux facilité.
- favoriser la captation de lumière. Les feuilles sont plates et de faible
épaisseur (de l’ordre de 1 mm) et ont une grande surface pour capter
le maximum de rayons lumineux.
i. Structure générale
A l’œil nu, la feuille, le plus souvent de couleur verte,
présente plusieurs parties. Le limbe est relié à la tige par
le pétiole et des nervures, prolongement du pétiole dans
le limbe, sont des éléments conducteurs assurant l'approvisionnement des cellules chlorophylliennes en eau et
éléments minéraux.
ii. Structure interne transversale
Au microscope optique, une coupe transversale de feuille présente de part
et d’autre une couche de cellules épidermiques. On distingue ainsi
l’épiderme supérieur et inférieur. Les cellules chlorophylliennes de la feuille
forment un tissu nommé parenchyme. Dans le parenchyme palissadique, les
cellules chlorophylliennes sont rangées « en palissade », tandis que dans le
parenchyme lacuneux, elles ménagent entre elles des espaces, appelés lacunes.
Des structures épidermiques particulières, les STOMATES, interrompent la continuité de l’épiderme
foliaire. Les stomates sont constitués
de deux cellules stomatiques délimitant un orifice réglable, l’ostiole.
Cet orifice permet une communication directe entre l’atmosphère
et une chambre sous-stomatique.
Les chambres sous-stomatiques se
prolongent à l’intérieur de la feuille
par de nombreux espaces intercellulaires qui constituent une véritable
atmosphère interne. Le dioxyde de
carbone pénètre dans la chambre
sous-stomatique par les stomates, atteint les cellules chlorophylliennes en diffusant à travers les espaces lacunaires et pénètre dans leur cytoplasme, où il
se dissout.
3) Légender le schéma ci-dessus.
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B3. b Les réactions photochimiques ont lieu dans le chloroplaste
i. Anatomie d’un chloroplaste
Chez les végétaux supérieurs, les CHLOROPLASTES sont des organites ovoïdes
de 1-4 µm d’épaisseur et de 3-10 µm de longueur. Un chloroplaste présente
trois membranes distinctes : membrane externe, membrane interne,
membrane des thylakoïdes. Ces membranes déterminent trois compartiments
séparés : espace intermembranaire, stroma, espace intrathylakoïdien.
Les thylakoïdes ont l’aspect de sacs aplatis en disques et empilés les uns sur
les autres. Les membranes des thylakoïdes contiennent un pigment, la
CHLOROPHYLLE.
4) Légender le schéma ci-dessus.
ii. La chlorophylle
è Analyser des documents
Doc 10 Extraction de la solution de chlorophylle brute
Découper en morceaux quelques feuilles bien vertes puis
broyer ces morceaux dans un mortier avec un peu de sable
afin d’écraser les cellules.
Ajouter progressivement 10 mL d’alcool à 90°, ce qui
solubilise les pigments chlorophylliens.
Filtrer le contenu du mortier. On obtient une solution de
chlorophylle brute.
Doc 11 Chromatographie
Sur une bande de papier chromatographique, déposer à 2cm
du bas une goutte de la solution de chlorophylle brute.
Laisser sécher, puis superposer au même endroit jusqu’à 10
gouttes.
Verser 5 mL de solvant.
Suspendre le papier chromatographique dans l’éprouvette.
Recouvrir d’un cache et laisser l’éprouvette dans l’obscurité
pendant 15 à 30 min.
5) Que conclure sur la nature de la chlorophylle ?
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La chlorophylle est un mélange de différents pigments1 :
- chlorophylle a
- chlorophylle b
- xantophylles
- caroténoïdes
Spectre d’absorption de la chlorophylle
èAnalyser des documents
Doc 12 Fonctionnement d’un spectrophotomètre (gauche)
Doc 13 Spectre d’absorption de la chlorophylle brute (droite)
A partir d'une solution de pigments, on peut donc mesurer les caractéristiques d'absorption de la
lumière en réalisant un spectre d'absorption à l'aide d'un spectrophotomètre UV visible
classique, qui permet de mesurer l'absorption (A) en fonction de la longueur d'onde (l).
Doc 14 Différents spectres d’absorption
1
Les pigments sont des molécules qui absorbent une partie de la lumière qui les éclaire.
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6)
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Quelles longueurs d’onde la chlorophylle brute absorbe-t-elle
majoritairement ?
7) Quel pigment est responsable de chaque pic d’absorption ?
8) A quoi sert-il d’absorber une part du spectre optique ?
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Les pigments sont arrangés en photosystèmes
èAnalyser des documents
Doc 15 L’excitation de la
chlorophylle a pure, isolée, in vitro
L’absorption d’un photon fait passer
un électron de la molécule de
chlorophylle d’un état fondamental à
un état excité. Le photon propulse
l’électron vers une orbitale où il
possède
d’avantage
d’énergie
potentielle (état instable). In vitro,
l’électron retourne immédiatement à
son état fondamental en libérant de
l’énergie et un photon (fluorescence).
La fluorescence de la chlorophylle est spectaculaire dans la mesure où les photos réémis
correspondent à une longueur d’onde élevée, donc de couleur rouge, qui tranche avec la couleur
verte du pigment.
Mais la chlorophylle a possède une autre propriété bien particulière : au lieu d’être restituée au
milieu, l’énergie lumineuse absorbée peut être transférée à des électrons et permettre une
réaction d’oxydoréduction.
Doc 16 Spectre d’absorption des
pigments de la chlorophylle brute
Doc 17 Rendement photosynthétique
Graphique obtenu par mesure du
dioxygène libéré en fonction de la longueur
d’onde.
Doc 18 Expérience de Engelmann
Des algues filamenteuses sont mises en
croissance devant un prisme.
Des bactéries aérobies sont utilisées pour
mesurer la présence d’O2.
9) Quel est le pigment majeur de la photosynthèse ?
10) Semble-t-il le seul à jouer un rôle dans la photosynthèse ? Justifier.
11) Quel peut être le rôle des autres pigments ?
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Dans la membranes des thylakoïdes, les
pigments sont arrangés en photosystèmes,
capables de relayer l’énergie de pigment
en pigment jusqu’au centre réactionnel du
complexe, une chlorophylle a.
La chlorophylle a transfert ensuite l’énergie
lumineuse absorbée à des électrons et
permet une réaction d’oxydoréduction.
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B3.c RÉACTIONS BIOCHIMIQUES DE LA PHOTOSYNTHÈSE
Comme la respiration cellulaire, la photosynthèse est une chaine complexe
de réactions chimiques qui se déroulent à différents endroits du chloroplaste.
L’équation-bilan de la photosynthèse nous permet d’ores et déjà de savoir
que les réactions photosynthétiques impliquent une oxydoréduction.
Energie + 6 CO2 + 6 H2O à C6H12O6 + 6 O2
Ces réactions peuvent être séparées en deux : les réactions photochimiques
qui dépendent de la lumière et les réactions non-photochimiques.
i. Cycle de Calvin
è Analyser des documents
Doc 19 Expériences de Calvin et Benson
(1962)
Des chlorelles sont maintenues en suspension
à la lumière, dans un récipient où l'on fait
barboter du dioxyde de carbone. Celles-ci sont
refoulées dans une tubulure souple et
transparente qu'elles parcourent en un temps
donné grâce à une pompe dont le débit est
connu.
En un point variable de la tubulure, on injecte
14
du CO2: le temps pendant lequel les algues
peuvent l'incorporer est variable selon l'endroit
de l'injection. Les cellules tombent enfin dans
du méthanol bouillant qui bloque
instantanément toutes les réactions chimiques.
Par radiochromatographie, Calvin et Benson
déterminent les molécules organiques qui ont
14
incorporé le C en fonction du temps de mise
en présence des algues avec le dioxyde de
carbone radioactif.
Doc 20 Résultat de l’autoradiographie
Par autoradiographie, on révèle sur du
papier photographique toutes les
14
molécules contenant du C radioactif,
14
donc formées à partir de CO2. Ici, les
résultats sont présentés après 30s en
présence de carbone 14.
Leur position sur le chromatogramme
permet d’identifier les différentes
molécules. On observe ici la présence
de :
- glucides (bleu)
- acides aminés (rouge)
- acides organiques (orange)
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Doc 21 Autoradiographie avec t variables
APG = Acide phosphoglycérique (3 atomes de C), Triose = glucide à 3 atomes de carbone,
Hexose = glucide à 6 atomes de carbone, Ru-BP : Ribulose biphosphate (glucide à 5 atomes de
carbone).
Doc 22 Evolution des concentrations de
Ru-BP et APG
A t=0, le système expérimental n’est plus alimenté en CO2.
12) A partir des informations ci-dessus proposer un cycle pour la production
d’hexose ?
13) Sachant que le carbone dans l’APG est oxydé et qu’il est réduit dans le triose
phosphate, indiquer l’étape de la réduction.
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ii. Localisation des deux phases
La photosynthèse est donc composée de deux phases : la première crée à
proprement parlé le glucide alors que la seconde permet le recyclage des
composés nécessaires à la synthèse du glucide, de l’ATP et un composé
réduit.
è Analyser des documents
Doc 23 Expériences sur le stroma
Il est possible d’isoler le stroma et les thylakoïdes des chloroplastes. Dans cette expérience, on
place le stroma dans différentes conditions puis on teste l’incorporation de CO2 à l’aide de CO2
radioactif.
Doc 24 Expérience de Gaffron
Des algues unicellulaires sont cultivées en suspension. La suspension est fortement éclairée pendant
au moins 10 minutes puis placée à
l’obscurité.
L’incorporation de CO2 est mesurée à l’aide de CO2 radioactif.
14) Où se déroulent les différentes phases de la photosynthèse ?
15) Sont-elles dépendantes l’une de l’autre ? Justifier.
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iii. Réactions photochimiques
Les réactions photochimiques se déroulent dans les thylakoïdes. C’est
l’endroit où l’énergie solaire est transformée en énergie chimique.
L’énergie absorbée par les pigments des photosystèmes est transférée à des
électrons et permet d’établir la réaction d’oxydoréduction suivante :
H2O + NADP+ + ADP + Pi à NADPH + H+ + ATP + O2
iv. Bilan
= Cycle de Calvin
Stroma
1. Fixation du CO2
2. Réduction du CO2
NADP
+
3. Régénération de
l’accepteur du CO2
NADPH
+
+H
Sortie du sucre et stockage
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B3. Activités cellulaires - Photosynthèse - Récapitulation
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S’exercer au BAC
II.b spé 5pts
Algues vertes, algues rouges et photosynthèse
Parmi les algues présentes en mer, entre 0 et 30 mètres de profondeur, on trouve
das algues de couleur étonnante pour des végétaux autotrophes : les algues rouges.
On s’intéresse à ces algues que l’on compare aux algues vertes.
Question : A partir des trois documents fournis, vous présenterez, en
comparaison avec les algues verte, les particularités pigmentaires et
photosynthétiques des algues rouges et vous indiquerez en quoi ces
particularités sont en relation avec le milieu de vie des algues.
Document 1 Spectre d’absorption et spectres d’action des algues vertes et
rouges
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Document 2 Composition des algues étudiées en pigments et spectres
d’absorption de ces pigments
Document 3 Profondeur de disparition des différentes radiations lumineuses
dans l’eau
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