Photosynthèse

La photosynthèse des cellules végétales : conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique

ressources:

http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=bio-0052-4

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/index.html

IMPORTANCE DE LA PHOTOSYNTHESE

Les végétaux sont à la base des écosystèmes : ce sont des producteurs primaires. Ils utilisent l’énergie lumineuse pour synthétiser leur matière organique (énergie chimique) à partir  de matière minérale.

 

Comment cette conversion est-elle réalisée par les cellules végétales ? Quelles sont les étapes de la photosynthèse dans la cellule ?

 

I) les conditions de la photosynthèse

Pb : Quelles conditions permettent aux cellules végétales de réaliser la photosynthèse ?

Activité n°1 : Les conditions de réalisation de la photosynthèse

-La photosynthèse a lieu dans les parties chlorophylliennes des végétaux (les autres cellules, ex racines, sont hétérotrophes : elles respirent uniquement)

-La photosynthèse se réalise uniquement en présence de lumière : elle utilise l’énergie lumineuse pour réaliser des transformations chimiques. C’est un couplage énergétique. A l’obscurité, les cellules photosynthétiques respirent uniquement (attention : à la lumière, elles respirent aussi, mais le bilan est en faveur de la photosynthèse)

-Ces transformations sont des réactions d’oxydo-réduction : l’eau est oxydée en O2, le CO2 est réduit en molécule carbonées organiques (glucides). La photosynthèse produit donc du O2 et des sucres, et utilise l’eau et le CO2.

                                   

                                    énergie lumineuse

équation bilan : 6 CO2 + 6 H20 à C6H12O6 + 6 O2

                        oxydant    réducteur     énergie chimique

 

remarque : pour mettre en évidence la photosynthèse, on peut mettre en évidence les glucides formés (amidon notamment), le O2 produit (ExAO), le CO2 consommé (ExAO)

 

Quelles sont les spécificités des cellules végétales, leur permettant de réaliser la photosynthèse ?

 

II) Le chloroplaste, organite clé de la photosynthèse

Commet l’énergie lumineuse est elle captée par les cellules végétales ?

 

TP n°2 : Le chloroplaste, organe clé de la photosynthèse doc et fiche protocole

Les chloroplastes sont des organites spécifiques des cellules végétales chlorophylliennes. Ce sont des organites de 2 à 10µm de long, de1-2µm d’épaisseur, entourés d’une double membrane.

Ils contiennent dans leur stroma (liquide interne) un important réseau de membranes : les thylakoïdes. Les membranes des thylakoïdes contiennent des pigments : chlorophylle (a et b), et caroténoïdes et xanthophylles. Ces pigments absorbent la lumière : le rouge et le bleu, c’est pour cela que les chloroplastes sont verts (couleur non absorbée). Les longueurs d’ondes absorbées (spectre d’absorption) correspondent aux longueurs d’ondes efficaces pour la photosynthèse (spectre d’action) : ce sont donc bien les pigments de la membrane des thylakoïdes qui sont responsable de la capture de l’énergie lumineuse.

 Comment cette énergie lumineuse est-elle convertie en énergie chimique ?

 

III)  La photosynthèse : un ensemble de réactions.

Comment se réalise la production de O2 ? Comment est incorporé le CO2 ? Quel est le rôle de l’énergie lumineuse ?

  1. Un processus en 2 étapes

Activité 1 : Mise en évidence d’un processus en deux étapes

exp de Graffon :

la quantité de C* incorporée ne chute pas aussitôt :la réaction se poursuit à l’obscurité, mais s’arrête ensuite :elle peut se faire à l’obscurité mais nécessite que des réactions à la lumière se soient produites avant.

 

exp de Arnon : 

1) les thylakoïdes n’incorporent pas le CO2

2)l’incorporation de CO2 a lieu dans le stroma, même à l’obscurité

3) l’incorporation de CO2 dans le stroma est favorisée si les thylakoïdes ont été à la lumière avant

 

conclusion : les thylakoïdes produisent à la lumière des composés qui seront nécessaires à l’incorporation du CO2 dans le stroma.

La phase ayant lieu à la lumière dans les thylakoïdes porte le nom de phase photochimique

la phase ayant lieu dans le stroma porte le nom de phase chimique

Ces deux phases sont en fait deux réactions d’oxydoréduction :

  • à la lumière : oxydation de l’eau en O2
  • à l’obscurité : réduction du co2 en MO

 

  1. La phase photochimique de la photosynthèse

 

Quelles sont les réactions se produisant la lumière dans les thylakoïdes ?

  TP3 : hill doc

L’expérience de Hill montre qu’un accepteur d’électron est nécessaire pour que la photosynthèse ait lieu.

Cet accepteur d’électron (oxydant) sera appelé R. En même temps, il « capte » des protons (H+)

 

L’expérience montre aussi que la photosynthèse nécessite de la Lumière.

La réaction n’est pas spontanée : les potentiels d’oxydoréduction ne sont pas favorables à l’oxydation de l’eau : c’est l’énergie lumineuse qui permet cette réaction

 

EN résumé : Dans les thylakoïdes, la chlorophylle permet de capter l’énergie nécessaire à la réaction entre l’eau et un oxydant R ; l'oxydation de l'eau conduit à

  • un dégagement de O2  et
  • la production d’un composé réduit RH2. (R est réduite en RH2)

 

(la chlorophylle joue le rôle d’intermédiaire : elle capte les photons et devient capable de céder un électron, qui sera récupéré par R, par l’intermédiaire d’autres couples transporteurs d’électrons. L’eau cédera ses électrons à la chlorophylle qui redevient alors à son état normal)

 

Que deviennent les électrons perdus par l’eau ?

L’oxydation de l’eau, ainsi que les transferts d’électrons, s’accompagnent d’un transfert de protons depuis l’extérieur du thylakoïde vers l’intérieur

http://svt.ac-rouen.fr/tice/animations/fusin/photosynthese.swf

 

 

→ le lumen a alors un pH plus acide que le stroma. Cette différence de pH représente une forme d’énergie qui peut être convertie dans la cellule en énergie chimique universelle, l'ATP

 

 

 

 


 

bilan : la phase photochimique est :

  • une oxydation de l’eau,
  • produit un composé réduit RH2 et de l’ATP.

L’oxydation de l’eau n’est pas spontanée, elle est permise par l’énergie lumineuse

 

comment est produit le glucose ?comment est incorporé le CO2 ?

 

III) La phase chimique : formation de matière organique (énergie chimique)

 TD cycle de Calvin

 

  • identifier les molécules produites
  • trouver leur ordre d'apparition
  • comprendre qu'il s'agit d'un cycle
  • Couplage entre la phase photochimique et la phase biochimique.

 

Expérience de Calvin et Benson

 

  • Au bout de 2s, APG = c’est le premier corps formé, c’est une molécule carbonée en C3

L'acide phosphoglycérique (APG) est le premier composé formé et donc est à l'origine de toutes les synthèses.

 

  • Au bout de 5s = tjrs de l’APG, des molécules en C3 et un corps en C5 : le ribulose biphophate

L'acide phosphoglycérique (APG), premier composé formé, n'est pas un sucre. Pour entrer dans les réactions de synthèse des composés organiques, il doit être réduit en trioses phosphate (C3) qui apparaissent effectivement rapidement dans les radiochromatogrammes.

  • Au bout 30s : tjs de l’APG, C3P et RUBP. Mais apparition de nouvelles molécules, sucres, acides aminés, acides gras…

 

Durant cette expérience historiques, Calvin et al. constatent très vite que le pivot des réactions est marqué par la présence de deux molécules, le Ru-dP (ribulose di-phosphate) et l'APG (acide phosphoglycérique).

 

L'accepteur de CO2 pourrait être la Ru-BP qui possède 5C en effet, 5C + 1C (Co2) donnerait une molécule en 6C. Et pourrait permettre la synthèse de 2 molécules en 3C comme l'APG.

 

Expériences complémentaires

L'analyse de la première expérience montre que lorsqu'on bloque la phase photochimique par l'obscurité on a une baisse du Ru-dP et en même temps une augmentation du taux d'APG. Cela signifie que le Ru-dP est transformé en APG. Lorsque tout le Ru-dP a été consommé, le taux d'APG diminue puisqu'il est à son tour, intégré dans la suite des réactions biochimiques.

 

Lorsque le taux de CO2 est nul, l'APG ne se forme plus mais le Ru-dP continue à se former durant un certain temps. La seconde expérience montre que le CO2 est intégré entre le stade Ru-BP et le stade APG. Cela signifie que c'est l'APG qui conditionne la présence de Ru-dP.

 

Si on additionne les résultats des deux expériences, on est obligé de conclure qu'il existe un cycle fonctionnant entre le Ru-dP et l'APG. On appelle ce cycle, le cycle de Calvin-Benson ou plus simplement cycle de Calvin.

 

 

 

 

 

Dans le stroma des chloroplastes, le CO2 est réduit : il est incorporé aux molécules organiques (glucides d’abord) :

Le CO2 est fixé sur un composé à 5C, le RuBP. Il en résulte la formation de deux sucres à 3 carbones (APG : acide phosphoglycérique). Les APG subissent ensuite une réduction : il y a utilisation du RH2 et d’ATP.

Une partie des trioses formés servira à produire des sucres(glucoses,…) et l’autre à reformer le RuBP, pour cette étape, l’ATP est nécessaire.

Ainsi il y a une suite de réactions, cycliques, portant le nom de cycle de Calvin.

 

Conclusion :

La photosynthèse, se déroulant dans les chloroplastes, est un processus d’incorporation du carbone minéral dans des molécules organiques. Ces réactions nécessitent l’apport d’énergie lumineuse : il s’agit d’un couplage photochimique.

La phase biochimique nécessite la phase photochimique

Les 2 réactions sont bien COUPLÉES,

- La phase photochimique dans la membrane des thylakoides qui  nécessite la lumière et l'oxydation de l’eau en O2, produit de l’ATP et un transporteur réduit(RH2).

- La phase biochimique dans le stroma utilise ces intermédiaires pour incorporer le CO2 et former des sucres, puis d'autres molécules organiques.)

 

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