CHAPITRE 3 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE

COURS ÉLÈVES TS spécialité 13/02/15
CHAPITRE 3 ÉNERGIE ET CELLULE VIVANTE
Les métabolismes (réactions chimiques assurant le fonctionnement de l’organisme) sont divers, mais tout
système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure pour se construire (matière) et
fonctionner (énergie) .
Pour ce qui concerne la matière, quantitativement, les atomes de C, H, O, N sont essentiels  . Pour ce
qui concerne l'énergie, un être vivant doit convertir l'énergie qu'il capte dans son environnement pour pouvoir
l'utiliser.
Pour ce qui concerne l'énergie, 2 sources d'énergie sont à la disposition des êtres vivants : énergie
lumineuse et énergie chimique (dans des molécules). Le problème pour les êtres vivants est de récupérer cette
énergie et de la convertir en une forme utilisable. Nous présenterons successivement : 
- la photosynthèse, processus de conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique
- la fermentation, processus de conversion d'une forme d'énergie chimique en une autre en l'absence de dioxygène
- la respiration, processus de conversion d'une forme d'énergie chimique en une autre en présence de dioxygène
3.1 Utilisation de l'énergie lumineuse, photosynthèse et production d'ATP
La cellule chlorophyllienne des végétaux verts est capable de synthétiser la matière organique à partir de
molécules d’eau, de dioxyde de carbone, et de sels minéraux. Cette synthèse faite à partir de molécules
minérales (source des atomes) et d'énergie lumineuse est appelée photosynthèse .
3.1.1 La feuille organe clé de la photosynthèse
La synthèse se fait surtout au niveau des feuilles.
La feuille communique avec le reste de la plante par ses vaisseaux (visibles au niveau des feuilles
sous forme de nervures) qui transportent:
la sève brute (approvisionnement en eau  et en sels minéraux) des racines vers les feuilles
(vaisseaux du xylème = bois)
la sève élaborée (exportation de la matière organique produite) des feuilles vers le reste de la plante
(vaisseaux du phloème)
Les molécules produites sont dans un premier temps des glucides, glucose (C6H12O6) en particulier.
Les autres types de molécules (amidon, lipides, protéines …) sont produits dans un deuxième temps. 
Le bilan des transformations peut s’écrire : * = isotope inhabituel
6 CO2 + 12 H2*O  C6H12O6 + 6 *O2+ 6 H2O
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1- approvisionnement
de la feuille en
atomes et énergie
 (sève brute)
2- exportation des
molécules produites
lors de la
photosynthèse
(sève élaborée) 
Coupe transversale de
feuille d’une plante à
fleur (X100)
La production de matière organique au
niveau cellulaire (Bilan des réactions) 
Amidon synthase

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3.1.2 Le chloroplaste organite clé de la photosynthèse
La photosynthèse débute par la collecte des photons (source d’énergie) par des pigments
photosynthétiques (dont la chlorophylle) localisés dans la membrane des thylakoïdes (sacs à l'intérieur
des chloroplastes ). Elle se poursuit par la réduction de dioxyde de carbone dans le stroma (liquide du
chloroplaste entourant les thylakoïdes). 
La photosynthèse est donc la succession de 2 phases:
une phase photochimique (nécessitant de la lumière)
une phase chimique (ne nécessitant pas de lumière)
Le chloroplaste est l'organite clé de la fonction
photosynthétique.
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Cellules à chloroplastes (gauche de la photo)
Cellules sans chloroplastes (droite de la photo)
microscope photonique X 600
Chloroplaste
microscope électronique X 18000
Zoom et coupe Zoom
Schématisation d'un
chloroplaste

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3.1.3 La phase photochimique de la photosynthèse
La collecte des photons constitue le déclencheur d'une série de réactions d'oxydoréduction (avec transferts
d'électrons). Des protéines (en particulier enzymatiques) incluses dans la membrane du thylakoïde sont impliquées
dans ces réactions d’oxydoréduction. Compte tenu du rôle de la lumière, l’ensemble des molécules impliquées dans
ces mécanismes (« complexe protéines-pigments photosynthétiques ») peut être qualifié de chaîne
photosynthétique (PS sur les schémas). 
La série de réactions s’enchaînant est la suivante :
1- Activation d’un électron de la chlorophylle par des photons.
 L’électron de la chlorophylle est capté par une autre molécule.
 Apparition d’un « vide » électronique au niveau de la chlorophylle.
2- Un électron provenant de l’eau comble le vide.
 l’eau joue le rôle de donneur d’électron donc le rôle de réducteur et s'oxyde.
 L’eau est décomposée.
 Les atomes d'oxygène de l'eau se recombinent en molécule de dioxygène.
3- l’électron est transféré de molécule en molécule dans le PS (série d'oxydo réductions
successives).
4- Au cours de son déplacement, il provoque un transfert d’ions H+ de l'extérieur vers
l'intérieur du thylakoïde.
6- en fin de déplacement l’électron est utilisé pour réduire la molécule de NADP en NADPH2
 NADP joue le rôle d’accepteur d’électron donc le rôle d'oxydant et se réduit.
 NADPH2 est un composé réduit.
5- les ions H+ ressortent du thylakoïde. Leur déplacement permet la synthèse d’ATP
(adénosine triphosphate).
De manière synthétique on peut dire que, lors de la phase lumineuse de la photosynthèse, il y a:
- oxydation de l’eau
- production de dioxygène
- production de composés réduits NADPH2
- production d'ATP ( 1,5 par molécule de NADPH2 formé pour 4 H+)
2 H2O + 3 ADP + 3Pi + 2NADP +  O2 + 3ATP + 2NADPH2
Attention, cette écriture peut donner l'impression que les hydrogènes de l'eau sont transférés au NADP ce qui est faux (voir schéma de la phase photochimique)
Bilan énergétique : le rendement de la phase claire:
8 photons à 680 / 700 nm = 8 X 41,5 kcal = 332 kcal
3 ATP = 3 X 7,3 = 22 kcal
2 NADPH2 = 2 X 52,4 = 105 kcal
(105 + 22) / 332 = 38 %
L' absorption des photons constitue un apport énergétique initial nécessaire à la réalisation des
réactions d'oxydoréduction qui suivent et qui permettent la production des molécules énergétiques .
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Réactions de la
phase
photochimique de
la photosynthèse

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3.1.4 La phase chimique de la photosynthèse (= phase obscure =phase non photochimique)
Les produits de la phase photochimique (ATP et NADPH2) sont utilisés dans un deuxième temps au cours de
la phase chimique pour produire du glucose à partir de CO2.
Cette réaction permet l’incorporation du CO2 (matière minérale) pour la synthèse des glucides en C3 (3
atomes de carbone), première matière organique. Elle (cette réaction) est donc à la base de la plupart des molécules
organiques actuellement produites sur Terre et donc également à la base de la plupart des réseaux alimentaires
existants. Par ces implications, on peut considérer qu'il s'agit de la réaction chimique la plus importante du monde
vivant actuel.
Les réactions qui suivent cette incorporation utilisent le NADPH2 et l'ATP produits par la phase
photochimique et permettent la synthèse de glucides de plus grande taille (en C6 = 6 atomes de carbone) en
particulier du glucose.
Bilan énergétique : le rendement de la phase sombre :
1 glucose = 686 kcal
18 ATP = 18 X 7,3 = 131 kcal
12 NADPH2 = 12 X 52,4 = 630 kcal
686 / (630 + 131) = 90 % (réduit à 54 % par des mécanismes énergétiques associés)
Dans la molécule de CO2, l’atome de carbone est totalement oxydé. Dans la matière organique (vivante ou morte),
l’atome de carbone est à l’état réduit. Cela rend les molécules organiques très intéressantes pour les êtres vivants puisque
leur oxydation constitue une source d’énergie possible.
De nombreux êtres vivants se sont donc spécialisés dans l'exploitation de la matière organique produite par les
végétaux (les herbivores par exemple) qui leur procure atomes et énergie (sous forme chimique cette fois). D'autres êtres
vivants se sont spécialisés dans l'exploitation de la matière organique produite par ceux exploitant les végétaux
(carnivores consommant des herbivores par exemple).
Finalement, les végétaux chlorophylliens sont autotrophes (capables de produire leur matière organique à
partir de matière minérale seulement), les autres êtres vivants sont généralement hétérotrophes (ont besoin de
matière organique d'autres êtres vivants pour produire la leur).
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La fixation du CO2, réaction
initiale de la phase chimique de
la photosynthèse
Les réactions de la
phase chimique de la
photosynthèse

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Conclusion
L'équation bilan de la photosynthèse résulte en réalité de deux processus complémentaires et simultanés,
une phase dépendante de la lumière (photochimique) une phase indépendante de la lumière (chimique).
Enfin, la cellule chlorophyllienne pourrait être issue de la symbiose de plusieurs êtres vivants dont un
aurait donné le chloroplaste (voir chapitre génétique du cours obligatoire, diversification du vivant). La
structure du chloroplaste (ressemblant à une cellule sans noyau = procaryote) et la présence d'ADN dans le
chloroplaste sont des indices forts en faveur de cette hypothèse.
Daniel Devallois 74160 St Julien en genevois 5 Sur 10
Les réactions de la
photosynthèse,
schéma récapitulatif