LA PHOTOSYNTHÈSE ET LA RESPIRATION CELLULAIRE

LA PHOTOSYNTHÈSE ET LA RESPIRATION CELLULAIRE
1- Décrivez, brièvement, sous quelle forme, à quel endroit et le rôle des différents
pigments nécessaires à la photosynthèse ?
Les chloroplastes contiennent différents pigments localisés dans la membrane des
thylakoïdes. Ces pigments ont la capacité d’absorber la lumière. La chlorophylle a
est le pigment bleu-vert, qui absorbe la lumière rouge et bleue, c’est la raison pour
laquelle les feuilles nous paraissent vertes car elles diffusent ces longueurs d’onde.
La chlorophylle b est le pigment jaune-vert qui absorbe la lumière et transfert
l’énergie à la chlorophylle a qui l’utilise comme si c’était elle qui l’avait captée. Les
caroténoïdes sont des pigments, jaune à orangé, qui semblent d’avantage jouer un
rôle de photo-protection. Au lieu de transmettre de l’énergie, ils l’absorbent et la
dissipent pour éviter d’endommager les pigments.
2- Distinguez des 2 systèmes de pigments ?
Les deux photosystèmes se différencient par les longueurs d’onde absorbées car
les chlorophylles a sont associé à des protéines différentes. Le photosystème I,
appelé aussi P700 , est constitué d’une chlorophylle a ayant la capacité d’absorber
d’avantage la longueur d’onde de 700 nm. Le photosystème II, appelé aussi P680 , est
constitué d’une chlorophylle a ayant la capacité d’absorber d’avantage la longueur
d’onde de 680 nm. Les électrons excités sont captés par les accepteurs d’électron.
Le vide électronique laissé dans le photosystème II est comblé par l'hydrolyse de
l'eau en hydrogène et en oxygène par des enzymes. Le vide électronique laissé dans
le photosystème I est comblé par l’arriver des électrons de la chaîne de transport
(photosystème I).
3- Décrivez l'unité fonctionnelle (organite cellulaire) de base de la photosynthèse?
Les chloroplastes sont des organites présents dans le cytoplasme des cellules
végétales. Ils sont composés de deux membranes séparées par un espace
intermembranaire. Il contient un réseau membraneux constitué de sacs aplatis
nommés thylakoïdes qui baignent dans le stroma (liquide intra-chloroplastique). Les
thylakoïdes contiennent de la chlorophylle (pigments verts) et des caroténoïdes
(pigments jaune orange). Un empilement de thylakoïdes se nomme granum (au pluriel
: des grana).
4- Expliquez pourquoi on peut dire que la phase lumineuse est caractérisée par la
photolyse de l'eau et la phase obscure par la fixation du CO2?
Durant la réaction photochimique ou phase lumineuse, il y a conversion de l’énergie
solaire en énergie chimique, ce qui donne de l’ATP et du NADPH+H+. Cette
conversion oblige le photosystème II à combler le vide créé par l’excitation d’un
électron en scindant une molécule d’eau. Lors du cycle de Calvin ou la phase obscure,
il y a incorporation de CO2 dans les molécules organiques déjà présentes dans le
chloroplaste. L’énergie nécessaire est offerte par les ATP et NADPH+H+ produient
lors des réactions photochimiques.
5- Quels sont les buts respectifs de la phase lumineuse et de la phase obscure de la
photosynthèse?
Le but de la phase lumineuse ou réaction photochimique est de produire de l’ATP et
des NADPH+H+ nécessaire à la phase obscure ou cycle de Calvin. Durant le cycle de
Calvin ou phase obscure, l’énergie sous forme d’ATP et le NADPH+H+ sont utilisé
pour incorporer le carbone du CO2 et former une molécule organique (PGAL) d’où le
terme synthèse.
6- Expliquez ce que l’on entend par la photophosphorylation de l’ADP?
On emploie le terme photophosphorylation pour désigner la synthèse d'ATP dans les
chloroplastes, car elle est amorcée par l'énergie lumineuse.
7- Nommez un transporteur d'hydrogène dans la photosynthèse?
+
Le nicotinamide dinucléotide phosphate (NADP) pour former le NADPH + H
8- Expliquez ce que signifie un potentiel d'oxydoréduction négatif ou positif?
Les donneurs d'électrons, dont la pression d'électrons est élevée, possèdent un
potentiel d'oxydoréduction négatif élevé. Tandis que les accepteurs d'électrons,
dont l'affinité est grande, possèdent un potentiel d'oxydoréduction positif élevé.
9- Dans la photosynthèse, précisez ou donnez la forme réduite du CO2 et la forme
réduite de l'oxygène ?
L’O2 et sa forme réduite H2O, Le CO2 et sa forme réduite (CH2O)n
10- Quelle est la différence qui existe entre la photophosphorylation cyclique et non
cyclique?
Le transport cyclique d'électrons est le trajet le plus simple. Il ne fait intervenir
que le photosystème I et n'engendre que de l'ATP ; il ne produit ni NADPH + H+ ni
oxygène. Cette voie est dite cyclique parce que les électrons excités qui quittent la
chlorophylle au centre réactionnel finissent par y revenir. Dans le transport non
cyclique d'électrons, les électrons passent continuellement de l'eau au NADP+, en
faisant intervenir les deux photosystèmes. Comme dans le transport cyclique, la
lumière excite les électrons du P700, le centre réactionnel du photosystème I.
Cependant, les électrons ne retournent pas au centre réactionnel : ils sont mis en
réserve dans le NADPH + H+. Le NADPH + H+ jouera ultérieurement le rôle de
donneur d'électrons et de protons, quand le cycle de Calvin réduira le dioxyde de
carbone en glucide. De plus, lorsque le photosystème II absorbe la lumière,
l'énergie atteint le P680, l'accepteur primaire d'électrons piège les électrons
éjectés et les transfère à une chaîne de transport, celle-là même qui participe au
transport cyclique d'électrons. Les électrons dévalent la chaîne, perdant de
l'énergie potentielle en cours de route, jusqu'à ce qu'ils atteignent le P700 et
remplissent les vides laissés quand le photosystème I a réduit le NADP+. À mesure
que les électrons dérivent du photosystème II au photosystème I, la chaîne de
transport achemine des protons à travers la membrane des thylakoïdes. La force
protonmotrice peut alors actionner la synthèse de l'ATP. La production d'ATP au
cours du transport non cyclique d'électrons est appelée photophosphorylation non
cyclique. Soulignons cependant que la synthèse de l'ATP se fait de la même façon
que dans la photophosphorylation cyclique.
11- Précisez les conditions qui amènent la photophosphorylation non cyclique?
C’est le besoin plus grand en ATP qu’en NADPH + H+ du cycle de Calvin qui favorise
ce type de photophosphorylation non cyclique.
12- Quel est le principal donneur d'électrons dans la photosynthèse? H2O
13- Quel est le principal accepteur d'électrons dans la photosynthèse? Le CO2
14- Résumez les principales réactions de la phase lumineuse de la photosynthèse ?
1
L'absorption de lumière excite un électron (e ) dans des molécules de
chlorophylle a exposées dans les 2 photosystèmes (le photosystème I, appelé
aussi P700, absorbe d’avantage la longueur d’onde de 700 nm et le photosystème
II, P680, absorbe la longueur d’onde de 680 nm). Les électrons excités sont
captés par les accepteurs d’électron
2
Le vide électronique laissé dans le photosystème II est comblé par l'hydrolyse
de l'eau en hydrogène et en oxygène par des enzymes.
3
Les électrons voyagent des accepteurs d’électron du photosystème II au
photosystème I via une chaîne de transport d’électrons.
4
Ce passage des électrons dans la chaîne de transport assure la
photophosphorylation de l'ADP en ATP grâce à l’ATP synthétase située dans la
membrane des thylakoïdes. L’ATP formé se retrouve dans le stroma des
chloroplastes
5
Le vide électronique laissé dans le photosystème I est comblé par l’arrivée des
électrons de la chaîne de transport (photosystème II).
6
Les électrons excités du photosystème I sont acceptés et entrent dans une
seconde chaîne de transport et sont emmagasinés dans une molécule de
-
+
nicotinamide dinucléotide phosphate (NADP) pour former le NADPH + H
15- Résumez les principales réactions de la phase obscure de la photosynthèse et en
faire un bilan ?
Lors de la phase obscure ou cycle de Calvin, il y a ;
1-La fixation du carbone de 3 molécules de CO2 qui se fait sur des molécule de
ribulose diphosphate (RuDP) (5carbones) donnant des molécules à 6 carbones très
instables qui se scinde en 2 molécules de 3 carbones.
2-En utilisant de l’ATP (6) et en transférant les électrons du NADPH + H (6), il se
produit une réduction qui permet de former le PGAL (3carbones)
3-Une série de réaction utilisant de l’ATP(3), permet de réarranger les chaînes de
carbones en RuDP, accepteur de CO2 C’est la régénération. En fixant 3 CO2, on
produit un PGAL et on utilise 9 ATP et 6 NADPH+ H . Donc pour produire un glucose,
on doit fixer 6 CO2
+
+
16- Quel est le principal produit de la photosynthèse?
Du PGAL qui formera du glucose
17- Nommez et décrivez brièvement les principales étapes de la respiration cellulaire et
donnez pour chacune un bilan si la réaction débute avec une mole de glucose ?
La première étape est la glycolyse aérobie qui est caractérisée par une suite de
réactions enzymatiques qui mènent, à partir d’une (1) molécule de glucose à deux (2)
molécules d’acide pyruvique ou pyruvate, 2 NADH+H+ et de l’énergie sous forme
d’ATP (2) (4 ATP produits et 2 utilisés). La seconde étape comprends l’étape
charnière et le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique. Lors de l’étape
charnière, toujours à partir d’une mole de glucose, il y a production de 2 molécules
de (CO2), 2 NADH+H+ et 2 acétyl-CoA. Ces 2 acétyl-CoA sont acheminés vers le
cycle de Krebs. Ce cycle est caractérisé par une série d’étapes qui permettront de
produire du gaz carbonique (CO2) , de l’énergie sous forme d’ATP ainsi que le
transfert d’électrons sur des transporteurs. À partir d’une mole de glucose, 2
cycles sont nécessaires ce qui permet de produire 2 FADH 2, 6 NADH+H , 6 CO2 et
2 ATP La troisième étape est la chaîne de transport d’électron, qui est
caractérisée par une série de réactions au cours desquelles des hydrogènes (H2)
sont dirigés vers une chaîne de transporteurs (chaîne des cytochromes) qui
produiront des molécules d’ATP (entre 32 et 34 molécules) et de l’eau (6 molécules).
+
18-Comparez la glycolyse aérobie à la glycolyse anaérobie en termes de produits et
d'énergie dégagée, en mettant en évidence les accepteurs d'hydrogène (finaux) dans
chacun des cas?
La glycolyse aérobie, à partir d’une molécule de glucose produit deux molécules
d’acide pyruvique ou pyruvate, 2 NADH+H et de l’énergie sous forme d’ATP (2) (4
ATP produits et 2 utilisés). La glycolyse anaérobie, à partir d’une molécule de
glucose, nécessite l’addition de 2 atomes d’hydrogène au pyruvate ce qui donne de
l’acide lactique ou lactate ou encore la conversion du pyruvate en acétaldéhyde qui
additionne les 2 H formant de l’éthanol. Dans ces cas, le donneur d’hydrogène est le
NADH et il est converti en NAD. Ainsi, même en l’absence d’oxygène, condition
anaérobie, le NADH peut être transformé en NAD et la glycolyse peut se
poursuivre avec comme produit final l’acide lactique ou de l’éthanol au lieu de l’acide
pyruvique. Il faut bien comprendre que la quantité d’ATP synthétisée par molécule
de glucose est moindre au cours de la glycolyse anaérobie qu’au cours de la glycolyse
aérobie car les NADH ne sont pas acheminés vers la chaîne de transport
d’électrons.
+
19- Précisez à quel endroit dans la cellule s'effectuent chacune des grandes étapes de la
respiration cellulaire ?
Glycolyse dans le cytosol de la cellule. L’étape charnière permet le passage du
cytosol dans la mitochondrie. Le cycle de Krebs s’effectue dans la matrice de la
mitochondrie. La chaîne de transport d’électrons s’effectue dans la membrane
interne de la mitochondrie
20- Expliquez les conséquences (biochimiques et énergétiques) d'un manque d'oxygène au
niveau de la respiration cellulaire?
En l’absence d’oxygène, le NADH ne peut pas être converti en NAD+ par transfert
d’atomes d’hydrogène et d’électrons à la chaîne des cytochromes. S’il n’y avait pas
d’autre moyen de retransformer le NADH en NAD, la respiration cellulaire
s’arrêterait une fois le faible stock de NAD de la cellule totalement converti en
NADH. Ainsi le manque d’O2 arrêterait la glycolyse et le reste, donc plus de
production d’énergie…
21- Expliquez les conséquences (biochimiques et énergétiques) de la présence d’un
inhibiteur enzymatique au début du cycle de Krebs ?
Un inhibiteur pourrait stopper une enzyme de la glycolyse et ainsi empêcher la
poursuite de la cascade permettant de produire l’ATP par phosphorylation du
substrat, produire les NADH+H et FADH2 et l’ATP par phosphorylation oxydative,
Donc arrêter la respiration cellulaire comme certain insecticide, pecticide, …
+
22- Mettez en évidence les différences entre la fermentation lactique et la
fermentation alcoolique?
Dans la fermentation lactique, il y a addition de 2 atomes d’hydrogène au pyruvate
ce qui donne de l’acide lactique produisant 2 ATP. Dans la fermentation alcoolique, il
y a conversion du pyruvate en acétaldéhyde qui additionne les 2 H de l’accepteur
d’électron formant de l’éthanol, libérant 2 CO2 et produisant 2 ATP.
23- Expliquez la complémentarité qui existe entre la photosynthèse et la respiration
cellulaire ou entre les végétaux et les animaux?
La photosynthèse nourrit presque tous les êtres vivants, directement ou
indirectement. Un organisme se procure les composés organiques nécessaires à la
production d’ATP et de chaînes carbonées soit par autotrophie ou par
hétérotrophie, c’est le flux d’énergie.
Les autotrophes élaborent leurs molécules organiques à partir du dioxyde de carbone et
d’autres matières premières inorganiques tirées de leur milieu. Les hétérotrophes
utilisent les autotrophes comme sources ultimes de matière organiques. On peut donc
dire que les autotrophes sont des producteurs et les hétérotrophes des consommateurs.
24- Faites un tableau synthèse de la respiration cellulaire à partir d’une mole de glucose
pour chacune des étapes et sous étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les
produits formés, l’ATP utilisé, le NADH+H+ et FADH2 formés, l’ATP formé par
phosphorylation sur le substrat et par phosphorylation oxydative ?
La respiration cellulaire à partir d’une mole de glucose
Étapes
(sous
étape)
Lieu de
cellule
la Produits
formés
ATP
utilisé
NADH+H+
(FADH2)
formés
ATP
formé ATP
par
phosphorylation
sur le substrat
formé
par
phosphorylation
oxydative
Cytosol
Pyruvate 2
2
4 (-2utilisé)
NADH+H+
0
Traverse
CO2
0
2
0
NADH+H+
0
0
6
2
0
0
32 ou 34
Glycolyse
(Étape
charnière)
membrane
Acétylmitochondrie CoA
Cycle de
Matrice
Krebs
mitochondrie
6CO2
Chaîne
Membrane
6H2O
respiratoire interne
mitochondrie
NADH+H
2FADH2
(2
0
parfois)
Total
36 à 38
25- Faites un tableau synthèse des fermentation à partir d’une mole de glucose pour
chacune des étapes et sous étapes, en mentionnant le lieu dans la cellule, les produits
formés, l’ATP utilisé, le NADH+H+ et FADH2 formés, l’ATP formé ?
Fermentation
Lieu de Produits
la cellule formés
ATP formé
Cytosol
2Éthanol
2CO2
2
2
NADH+H+
Cytosol
2Lactate
2
2
NADH+H+
Alcoolique
Lactique
ATP
NADH+H+
utilisé (FADH2)
formé
26- Faites un tableau synthèse de la photosynthèse pour chacune des étapes, en
mentionnant le lieu dans la cellule, les éléments utilisés (réactifs) et les produits
formés ?
Étapes
Réactions
photochimiques
Cycle de Calvin
Lieu de la cellule
Éléments utilisés Produits formés
(réactifs)
Thylakoïdes
H2 O
(granum)
dans
chloroplaste
O2
Stroma
des 3CO2
chloroplastes
9ATP
6NADPH+H+
1PGAL