Chap I : La photosynthèse

Rappel :

Pb I- Quelles sont les conditions indispensables à la réalisation de la photosynthèse TP 1

1 A – Les échanges gazeux au cours de la photosynthèse

TP1 : Rappel photosynthèse ;

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Doc. 2 et 3 :

On effectue des mesures des variations de concentration en CO₂ ou en O2 en temps réel et en continu.
On peut alors mesurer l’intensité de la photosynthèse.

Doc. 2 et 3 :

L’expérience du document 2 montre une diminution de la concentration en CO₂.

CC : les cellules chlorophylliennes exposées à la lumière ont absorbé du CO2 pour réaliser la photosynthèse.

L’intensité de la photosynthèse est ici de 1,3 mg/L de CO₂ absorbé par minute (1,3 mg.L-1.min-1).
L’expérience du document 3 montre une augmentation de la concentration en dioxygène.

CC : les cellules chlorophylliennes exposées à la lumière ont rejeté du dioxygène, issu de la photosynthèse.

Avant l’ajout de NaHCO3, l’intensité de la photosynthèse est de 0,6 mg/L d’O2 rejeté par minute (0,6 mg.L-1.min-1).
Après l’introduction de NaHCO3, l’intensité de la photosynthèse augmente : elle est de 1,5 mg/L d’O2 rejeté par minute (1,5 mg.L-1.min-1).

CC : avec une source de carbone minéral plus importante, les cellules ont pu accentuer l’intensité de la photosynthèse, d’où plus de dioxygène produit.

Bilan :

Les conditions nécessaires sont la présence de lumière, de chlorophylle, l’eau et le CO₂ .

En présence de lumière les végétaux absorbent le CO₂ et rejettent le O₂

1 B – La production de matière organique au cours de la photosynthèse

TP1 : Rappel photosynthèse

Doc. 1 :

L’eau iodée est un réactif de couleur orangée qui colore l’amidon en brun noir.
Le contenu des cellules de spirogyre prend une teinte brune en présence d’eau iodée.
La photo b montre des cellules semblables, placées à la lumière, qui prennent une coloration plus foncée.

CC :Cela signifie que les cellules sur la photo b contiennent plus d’amidon que les cellules présentes sur la photographie a.

On peut donc en déduire que les cellules de spirogyre produisent de l’amidon lorsqu’elles sont placées à la lumière.
L’amidon est une molécule organique : une telle production de matière organique en présence de lumière est une activité photosynthétique

Bilan :

La matière organique est fabriquée par les cellules chlorophylliennes.

Une coloration violette ( avec l’eau iodée) s’observe uniquement dans les chloroplastes des cellules de feuille placées à la lumière.

1 C – L’équation de la photosynthèse

Doc. 1 à 3 :

L’équation-bilan de la photosynthèse : 6 CO2 + 6 H2O . C6H12O6 + 6 O2
La photosynthèse est une production de glucose, de formule C6H12O6. Or, l’amidon est un polymère du glucose .

CC Donc, la mise en évidence d’une production d’amidon par des cellules chlorophylliennes, telle que présentée par le document 1, == une activité photosynthétique de la part de ces cellules.

La source de C utilisée pour produire les molécules organiques est le dioxyde carbone CO₂.

CC Donc, en mesurant la concentration du milieu en CO₂, comme présenté par le document 2, on peut mettre en évidence une consommation de dioxyde de carbone qui traduit également une activité photosynthétique de la part des cellules vivant dans ce milieu.

Le dioxygène est rejeté dans le milieu comme un déchet.

CC Donc, en mesurant la concentration du milieu en dioxygène, on MEV une production de dioxygène qui traduit une activité photosynthétique des cellules.

Bilan puce 1 p 26

Pb II Où a lieu la photosynthèse au niveau cellulaire. Q1, 2 et 3 p 17 +TP

1 – La localisation de la photosynthèse TP1

Doc. 1 :

Dans les cellules d’un rameau placé à l’obscurité et colorées à l’eau iodée, il ny’a pas de réaction positive traduisant une présence d’amidon.
Les chloroplastes sont plaqués contre les parois latérales des cellules et conservent leur couleur verte naturelle.
L’observation de cellules d’un rameau placé à la lumière et colorées à l’eau iodée montre que les chloroplastes, exposés à la face supérieure des feuilles, sont plus gros et renferment des grains colorés en brun foncé par l’eau iodée : il s’agit de grains d’amidon.

CC : on en déduit que des cellules chlorophylliennes produisent de l’amidon lorsqu’elles sont exposées à la lumière.

On observe une absence de grains d’amidon dans les chloroplastes des cellules placées à l’obscurité.

CC : Comme ces cellules ont probablement réalisé la photosynthèse auparavant (lorsque ces rameaux étaient exposés à la lumière), on peut en déduire que l’amidon produit par photosynthèse est soit utilisé soit exporté hors du chloroplaste.

Bilan :

Une coloration violette ( avec l’eau iodée) apparait sur les feuilles où a lieu de la synthèse de la matière organique.

Le chloroplaste est donc l’organite cellulaire fabriquant la matière organique.

2 – L’ultrastructure d’un chloroplaste Doc 2 p 17

Doc. 2 : schéma 3D

Doc. 2 :

Les grains d’amidon, lorsqu’ils sont présents, sont situés dans le stroma du chloroplaste.

Doc. 1 et 2 :

Une cellule chlorophyllienne comporte de très nombreux chloroplastes, organites ovoïdes, de couleur verte, contenant la chlorophylle.

CC : la surface totale de tous les chloroplastes d’une cellule est bien supérieure à celle de la cellule qui les renferme.

De plus, dans un chloroplaste, la membrane interne qui renferme les molécules de chlorophylle forme de nombreux petits sacs aplatis, les thylakoïdes, qui s’empilent en granums.

CC : la surface totale des membranes thylakoïdiennes d’un chloroplaste est largement supérieure à celle du chloroplaste qui les renferme.

L’organisation d’une cellule chlorophyllienne « augmente » la surface garnie de molécules de chlorophylle exposées à la lumière.

Bilan

Le chloroplaste est un organite spécifique des cellules végétales, probablement issu d’un événement d’endosymbiose d’une cyanobactérie par une cellule eucaryote primitive.
Le chloroplaste est séparé du cytoplasme par une double membrane, deux membranes séparées par un espace intermembranaire.
À l’intérieur, le chloroplaste est constitué d’un empilement de thylacoïdes, qui baignent dans le stroma (le liquide intrachloroplastique).
Les thylakoïdes constituent par endroits des empilements ou granums.
C’est dans l’épaisseur des membranes des thylakoïdes que sont inclus les pigments chlorophylliens.

Schéma bilan

DM Analyser les expériences suivantes dans un tableau

Expériences de Blackman
Expérience d’Emerson et Arnold
Expérience de Hill
Expérience de Ruben et Carmen
Espérience d’Arnon
Expérience de Gaffron
Jagendorf
Expériences de Calvin, Benson et Bassham

Pb III – Quel est le rôle des pigments foliaires?

III – les pigments foliaires et leur rôle dans la photosynthèse TP 2 :

a –Les pigments foliaires ? p22

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b – le Spectre d’absorption : doc 2 p23

c – le spectre d’action : doc 3 et p 23

Bilan a :

Les membranes de ces thylakoïdes sont très riches en protéines (transporteurs de protons, d’électrons, ATPsynthétase) et pigments photosynthétiques, qui issus de l’expression du génome.
Dans la plupart des végétaux chlorophylliens il y a les chlorophylles a et b, les xanthophylles et les caroténoïdes.

Les chloroplastes sont des organites spécifiques du règne végétal, et des cellules chlorophylliennes où se déroule la photosynthèse.

Il existe également des chlorophylles c et des protéines (phycocyanine et phycoérythrine) que l’on retrouve respectivement chez les cyanobactéries et les algues rouges.

Il y a différents types de pigments spécifiques d’une espèce végétale (dépendant souvent du milieu de vie).

Bilan b :

Les chlorophylles et les caroténoïdes absorbent certaines radiations, dans la gamme de longueurs d’onde visibles comprises entre 500 et 700 nm.

Bilan c :

L’établissement des spectres d’action, de la photosynthèse correspond à l’efficacité photosynthétique en fonction des longueurs d’ondes.
On remarque que ce spectre correspond au spectre d’absorption des pigments chlorophylliens.
Ce sont les chlorophylles qui semblent les plus efficaces, complétées par l’action des carotènes.

Pb IV – quels sont les étapes de la photosynthèse ?

Rappels d’oxydoréduction Voir poly ou site

Une réaction d’oxydo réduction ne peut se faire qu’avec un couple d’éléments chimiques.

Il faut un oxydant et un réducteur.

L’oxydant sera réduit.

Le réducteur sera oxydé.

Cette réaction correspondra à un déplacement d’électron(s) ou un déplacement de protons.

État oxydé	État réduit
Une oxydation = perte d’électrons.	Une réduction = gain d’électrons.
Une oxydation = la fixation d’un ou plusieurs O.	Une réduction = enlever de l’O.
Une oxydation = à arracher des e- ou arracher des H+ au réducteur.	Une réduction = à une fixation de H+.
Un oxydant capture un ou plusieurs électron(s). Quand il capte des électrons, il se réduit.	Un réducteur cède un ou plusieurs électron(s). Quand il perd des électrons, il s’oxyde.
Dans une liaison covalente C-H, le carbone est réduit.	Dans une liaison covalente C-O, le carbone est à l’état oxydé.
R	RH2
PGA (ou APG en français)	C5P2

PBIV-A quel est le rôle de la lumière dans la photosynthèse ?

IV-A – La phase photochimique de la photosynthèse

Expériences q 1,2 ,3 et 4 p21

L’expérience 1 :

Le stroma seul ne permet pas la production de molécules organiques par incorporation de CO2.
La comparaison des expériences 1 et 2 montre que les thylakoïdes exposés à la lumière permettent cette synthèse.

CC-Les thylakoïdes exposés à la lumière sont nécessaires à la synthèse de glucides dans le stroma des chloroplastes.

L’expérience 3

Les thylakoïdes exposés à la lumière peuvent être remplacés par un apport de RH2 et d’ATP.

CC-les thylakoïdes exposés à la lumière sont responsables de la production d’ATP et de RH2 nécessaires au fonctionnement du cycle de Calvin (doc 3 page 19).

L’expérience de Gaffron :

Il y a une incorporation élevée et constante de CO2 lorsque les algues sont exposées à la lumière.
En effet, ces cellules chlorophylliennes réalisent alors la photosynthèse.
À l’obscurité, cette incorporation cesse rapidement : la photosynthèse est un processus qui exige de la lumière.
Cependant, on constate que l’incorporation du CO2 ne cesse pas immédiatement lors du passage à l’obscurité mais diminue progressivement pendant 20 secondes environ.

CC l’incorporation du CO2 peut chimiquement se produire à l’obscurité mais est tributaire de phénomènes qui exigent directement de la lumière.

L’expérience d’Arnon :

À la lumière, les thylakoïdes fournissent en permanence ATP et RH2 nécessaires au fonctionnement du cycle de Calvin (voir document 3 page 19).

Conclusion :

Il y a donc incorporation constante de CO2.
Lors du passage à l’obscurité, la production d’ATP et de RH2 par les thylakoïdes cesse.
Cependant, l’incorporation du CO2 se poursuit un court instant en utilisant les stocks manifestement très limités d’ATP et RH2 précédemment produits par les thylakoïdes à la lumière.

Doc. 3 :

À la lumière, les thylakoïdes fournissent ATP et RH2 nécessaires au fonctionnement du cycle de Calvin. APG et Ru-BP sont utilisés au fur et à mesure de leur production, donc leurs quantités restent constantes.
À l’obscurité, on constate une augmentation de la quantité d’APG et une diminution de la quantité de Ru-BP.
A l’obscurité, l’apport d’ATP et de RH2 est interrompu (car ceux-ci sont produits par les thylakoïdes exposés à la lumière) : le cycle de Calvin cesse donc de fonctionner, la réduction de l’APG en triose étant alors impossible.
Le Ru-BP encore présent peut se transformer en APG mais il n’est pas régénéré : sa quantité diminue donc.
’APG s’accumule mais il n’est pas transformé en triose : sa quantité augmente.

Doc. 4 :

De 0 à 1 minute, on ne constate aucune production de dioxygène.
La réaction ne se produit pas.
L’ajout de 0,1 mL de réactif se traduit par une production de dioxygène qui révèle l’oxydoréduction entre l’eau et le réactif.
Celle-ci cesse rapidement par épuisement du réactif :
En effet, la production de dioxygène est réactivée par l’injection d’une nouvelle quantité de réactif (t = 3 min).
Au temps t = 5 min, le passage à l’obscurité se traduit par un arrêt immédiat de la production de dioxygène :

Ceci montre que cette oxydoréduction nécessite l’énergie lumineuse.

L’expérience de Hill :

montre qu’une suspension de chloroplastes permet une oxydoréduction entre l’eau et un accepteur d’électrons.
Cependant, la réduction de l’accepteur n’est possible qu’en présence de lumière car, elle exige de l’énergie.

cette oxydoréduction permet de former les transporteurs réduits RH₂ nécessaires à la phase chimique de la photosynthèse.

Bilan

La phase photochimique, dite claire, est une suite de réactions nécessitant de la lumière.

Elle se déroule dans la membrane des thylakoïdes.

Les pigments qui absorbent de l’énergie lumineuse produisent de l’énergie chimique selon un ensemble de réactions d’oxydo-réduction successives et certaines enzymes.

L’ensemble « protéines-pigments » est appelé chaîne photosynthétique.

Cette phase se déroule en 4 étapes

Excitation des pigments photosynthétiques et libération d’électrons.
Transit des électrons à travers les photosystèmes de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes. (Hors programme)
Régénération du donneur d’électrons et photolyse de l’eau.
Établissement d’un flux de protons qui active une une ATP synthétase (enzyme active au niveau de la membrane du thylakoïde) qui permet la photophosphorylation de l’ATP

Résumé en équations

1- Chlorophylle a è e – (oxydation) puis T+ + e – è T (réduction)

2- R+ (forme oxydée) + 2H+ + 2e – è RH2 (forme réduite) et H20 è 2 H+ + 1/2 O2 + 2e – (1)

3- RH2 (forme réduite) è R (forme oxydée) + 2H+ + 2e^–

4- ADP+Pi è l’ATP

IV-B comment le CO₂ est il incorporé dans les molécules organiques–

IV-B-La phase non photochimique de la photosynthèse ( Phase chimique)

a – expériences de Calvin q 1,2 ,3 et 4 p19

Doc. 1 :

On observe que les molécules identifiées ont impressionné sous forme de taches noires le papier photographique.

CC : Elles sont radioactives et elles ont été produites à partir du dioxyde de carbone radioactif (¹⁴CO₂) injecté dans le dispositif.

Doc. 1 à 3 :

On observe que dans le chromatogramme présenté par le document 1, obtenu après 30 secondes, toutes les molécules représentées sur le cycle du document 3 sont radioactives.

CC : Elles se sont formées à partir du dioxyde de carbone radioactif (¹⁴CO₂) injecté dans le dispositif, ce qui montre que le cycle a fonctionné.

Ainsi les autoradiographies du doc 2 permettent d’établir l’ordre chronologique des étapes présentées par le document 3 :

l’APG est la première molécule organique formée par incorporation du CO₂, obtenue après 2 secondes.
Le triose phosphate se forme à partir de l’APG, après 5 secondes.
on obtient deux autres molécules, le Ru-BP d’une part et des hexoses d’autre part.

On observe dans les trois autoradiographies du doc 2 que la quantité d’APG reste à peu près constante. CC : Cela confirme le fonctionnement cyclique présenté par le doc 3 : l’APG se transforme en triose au fur et à mesure de sa production.

Doc. 3 :

On observe que en en présence de CO₂ et à la lumière, les quantités d’APG et de Ru-BP sont constantes. Ceci s’explique, car en présence de CO₂ et à la lumière, le cycle fonctionne : APG et Ru-BP sont utilisés au fur et à mesure de leur production, donc leurs quantités restent constantes.

On observe que Si l’on stoppe l’approvisionnement en CO₂, il y a une augmentation de la quantité de Ru-BP et une diminution de la quantité d’APG.

En effet, comme le montre le cycle de Calvin, s’il n’y a pas d’apport de CO₂, le fonctionnement du cycle est interrompu.

En fait c’est l’étape de fixation du CO₂ sur le Ru-BP pour former de l’APG qui n’est plus réalisée.

L’APG présent se transforme en triose, mais il n’est pas régénéré, ce qui explique la diminution de la quantité d’APG.

Les trioses encore présents se transforment en Ru-BP, qui s’accumule puisqu’il ne peut être transformé en APG.

Doc. 3 :

On observe que pour que le cycle de Calvin puisse fonctionner, il faut :

1- un apport permanent de CO₂, qui fournit la source de carbone nécessaire à la synthèse des molécules organiques.

2- Mais il faut aussi de l’ATP, qui apporte de l’énergie, et des molécules RH2 qui fournissent de l’hydrogène. CC Énergie et hydrogène sont nécessaires à la réduction de l’APG en triose.

Bilan général du IV

La photosynthèse se déroule en deux phases distinctes mais couplées :

la phase photochimique, directement dépendante de la lumière, au cours de laquelle sont produits des composés réduits RH2 et de l’ATP.
la phase chimique, au cours de laquelle RH2 et ATP, précédemment formés, sont utilisés pour la réduction du CO2 en molécules organiques.

La phase photochimique se déroule dans les thylakoïdes

La phase photochimique correspond à une oxydoréduction entre l’eau et les composés R :

2 H₂O + 2 R => 2 RH₂ + O₂
Cette réaction est réalisée au niveau des thylakoïdes et nécessite de l’énergie chimique.
C’est la chlorophylle a qui rend possible cette réaction, en convertissant l’énergie lumineuse absorbée par les pigments chlorophylliens en énergie chimique.

La phase chimique se déroule dans le stroma

Au cours de réactions constituant le cycle de Calvin, du glucose est produit par incorporation du CO2 en utilisant les produits (RH2 et ATP) de la phase photochimique.
Le CO₂ est d’abord fixé sur un accepteur à cinq atomes de carbone qui est régénéré en permanence.