Thème 2.9 La photosynthèse Idée Essentielle: la photosynthèse utilise l’énergie de la lumière solaire pour produire l’énergie chimique nécessaire a la vie.

Nature de la science Le modèle expérimental : il est crucial de contrôler les variables pertinentes dans les expériences ayant trait à la photosynthèse. (3.1) Notions-Clés 2.9 N1 La photosynthèse est la production de composés carbonés dans les cellules en utilisant l’énergie lumineuse 2.9 N2 La lumière visible possède une gamme de longueurs d’onde, le violet correspondant à la longueur d’onde la plus courte et le rouge à la longueur d’onde la plus longue. Les élèves doivent savoir que la lumière visible a des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nanomètres, mais on ne s’attend pas à ce qu’ils se rappellent des longueurs d’onde de couleurs spécifiques de la lumière. 2.9 N3 La chlorophylle absorbe plus efficacement la lumière rouge et la lumière bleue et elle reflète la lumière verte plus que les autres couleurs. 2.9 N4 Durant la photosynthèse, il y a production d’oxygène par photolyse de l’eau. On peut produire de l’eau exempte de dioxyde de carbone pour des expériences sur la photosynthèse en la faisant bouillir et refroidir. 2.9 N5 De l’énergie est requise pour produire des glucides et d’autres composés carbonés à partir du dioxyde de carbone 2.9 N6 La température, l’intensité lumineuse et la concentration du dioxyde de carbone sont des facteurs susceptibles de limiter le taux de photosynthèse

Nature de la science Le modèle expérimental : il est crucial de contrôler les variables pertinentes dans les expériences ayant trait à la photosynthèse. (3.1) Compétences et Applications 2.9 A1 Les changements de l’atmosphère, des océans et des dépôts de roches de la Terre causés par la photosynthèse. 2.9 C1 Dessiner un spectre d’absorption pour la chlorophylle et un spectre d’action pour la photosynthèse. 2.9 C2 Concevoir des expériences pour étudier l’effet des facteurs limitants sur la photosynthèse. 2.9 C3 La séparation des pigments photosynthétiques par chromatographie. (Exercice de travaux pratiques 4). On peut utiliser la chromatographie sur papier pour séparer les pigments photosynthétiques mais la chromatographie en couche mince donne de meilleurs résultats.

La Photosynthèse génère une réserve d’énergie chimique sous forme de glucides Elle convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique Les réactions dépendantes de la lumière utilisent l’énergie solaire pour produire de l’ATP et briser l’eau (Photolyse), faisant des ions H+. Les réactions indépendantes de la lumière utilisent l’ATP et les ions H+ pour fixer le CO2, et faire du glucose De l’oxygène est un déchet métabolique. Le glucose est soit utilisé dans la respiration cellulaire, soit stockée en amidon.

Le mot photosynthèse vient de « construction (synthesis) au moyen de lumière (photos) ». C'est donc la capacité que possède un organisme à utiliser l'énergie solaire pour la transformer en une forme d'énergie « utilisable » : une énergie chimique.

Transformations chimiques CO2 O2 + + + + Transformations chimiques Énergie dans les liaisons Énergie lumineuse Chloroplastes Sucre Eau Les végétaux terrestres fixent chaque année environ 20 milliards de tonnes de carbone provenant du CO2. Cela représente environ 20 320 milliards de kilogrammes! Les algues fixent environ chaque année 15 milliards de tonnes du CO2 qui viennent de l'eau. Cela représente environ 15 240 milliards de kilogrammes! De plus, en captant de l'énergie solaire, les plantes enrichissent le capital énergétique de la planète. La photosynthèse est en soi un transfert d’énergie, puisque des liaisons chimiques sont brisées alors que d’autres sont formées.

Chaque longueur d’onde différente représente une quantité différente d’énergie. Cette énergie est absorbée dans les liaisons des différents pigments. Les liaisons doubles, plus faibles, se brisent partiellement en liaisons simples, et des électrons sont libérés. De là commence le processus qui mènera à l’entreposage de cette énergie dans la molécule de glucose. Observe l’animation de Déclic qui illustre le processus d’émission de l’énergie sous forme de lumière.

2. Les chloroplastes Responsables de la photosynthèse dans les parties vertes des plantes.

1 mm2 de feuille peut contenir ~ 500,000 chloroplastes. La membrane des thylakoïdes contient des pigments : Chlorophylle a et b (vert) Caroténoïdes et xantophylles (jaune à rouge) Caroténoïde le plus abondant = -carotène -carotène 2 vitamines A Chaque année, toute la chlorophylle des plantes (~ 300 millions de tonnes) est synthétisée et dégradée environ trois fois. Si la chlorophylle se dégrade plus vite qu'elle n'est synthétisée, on voit alors apparaître les autres pigments.

Le chloroplaste

Le parenchyme palissadique contient la majorité des chloroplastes. L’organe principal de la photosynthèse est la feuille. Parenchyme palissadique Chloroplaste Le parenchyme palissadique contient la majorité des chloroplastes.

Le chloroplaste Il est l’organite de la photosynthèse. Il est composé : d’une membrane externe de grana d’une membrane interne du stroma

Les grana Le granum est composé d’une pile de thylacoïdes. Les thalycoïdes sont reliés par des lamelles. Thylacoïdes Lamelles

Le thylacoïde Le thylacoïde est formé d’une double couche de phospholipides et d’un espace intrathylacoïdien. Phospholipides Espace intrathylacoïdien La membrane du thylacoïde contient des protéines de transport spécifiques.

Membrane du thylacoïde Elle est formée d’une double couche de phospholipides sur laquelle sont imbriqués des transporteurs et des enzymes : ATPase ou ATP synthase Photosystème I ou PSI Photosystème II ou PSII Plastocyanine : PC NADP réductase Complexe cytochrome F : b6f Ferrédoxine : Fd Plastoquinone : PQ

Les pigments photosynthétiques La photosynthèse par les chloroplastes met en jeu un ensemble de molécules particulières nommées pigments photosynthétiques. Le terme pigment vient du fait que ces molécules se colorent grâce à leur capacité à capter certaines radiations lumineuses. Ces pigments sont de trois types : Les chlorophylles, présentes dans tous les végétaux autotrophes; Les caroténoïdes, présents dans tous les végétaux autotrophes; Les phycobilines, présents dans les algues et les cyanobactéries.

1- Les chlorophylles Les chlorophylles sont formées d’un noyau de quatre pyrroles. Les atomes d’azote sont liés à un atome de magnésium central. Le noyau pyrrole 4 est estérifié par un alcool à 20 carbone : le PHYTOL. 1 2 4 3 H39C20

Les deux types de chlorophylles La différence entre la chlorophylle a et b est le groupement sur le groupe pyrrole 2. La chlorophylle a possède un –CH3. La chlorophylle b possède un –CHO. CH3 CHO 2 Dans la membrane des thylakoïdes, les chlorophylles sont associées à des protéines et forment des complexes protéines – pigments.

Propriétés des chlorophylles Chaque type de chlorophylle absorbe des longueurs d’onde spécifiques. Les pigments chlorophylliens absorbent l’énergie rayonnante et l’utilise à la synthèse d’ATP au moyen d’ADP et de phosphate.

À une certaine époque, on prêtait toutes sortes de vertus à la chlorophylle.

2- Les caroténoïdes Ce sont des molécules formées de 40 carbones eux-mêmes formés de 8 unités isoprènes. Ils possèdent une unité cyclique à chaque extrémité. Les xanthophylles sont des exemples de caroténoïdes. Les caroténoïdes absorbent les longueurs d’onde dans le bleu et un peu dans le vert. Les xanthophylles absorbent les longueurs d’onde dans le bleu et un peu dans le vert.

3- Les phycobilines Les phycobilines sont composés d'un noyau tétrapyrrolique ouvert, associé à une protéine. On les retrouve chez les algues rouges et les cyanobactéries. Consulte le site CREAWEB pour plus d’information sur les phycobilines.

Équation générale de la photosynthèse CO2 + H2O CH2O + O2 Plus précisément : 6 CO2 + 6 H2O 1 C6H12O6 + 6 O2

O2 Provient de l'eau 6 CO216 + 6 H2O 18 Glucose16 + 6 O218 Un arbre moyen absorbe chaque année environ 12 Kg de CO2, une quantité équivalente à celle émise par une voiture roulant sur une distance de 7,000 Km. Il rejette également suffisamment d’oxygène pour assurer la respiration d’une famille de quatre personnes pendant un an.

Les étapes de la photosynthèse On divise les réactions de la photosynthèse selon l’endroit où elles se situent Les premières réactions sont appelées réactions claires et ont lieu dans les thylacoïdes. Par la suite, les réactions ont lieu dans le stroma et sont appelées réactions sombres Cette classification est souvent utilisée, mais elle ne décrit pas exactement le processus, puisque les réactions sombres ont aussi lieu pendant la journée. On les appelle ainsi parce que la présence de lumière n’est pas absolument nécessaire. Pour clarifier le sujet, on utilise une classification physico-chimique du processus. On obtient alors trois étapes :

Les étapes de la photosynthèse On divise les réactions de la photosynthèse selon l’endroit où elles se situent étape photochimique  : absorption d’énergie lumineuse; étape énergétique : transfert d’électrons et de protons à travers la membrane thylacoïdienne; Les 2 premières étapes font partie de la phase claire étape biochimique  : incorporation du dioxyde de carbone pour former le sucre dans le stroma. La troisième étape fait partie de la phase sombre Melvin Calvin (1911-1997)

Déroulement de la photosynthèse 2 phases : Réaction photochimique : dans la membrane des thylakoïdes E lumière E chimique (ATP) H2O H+ + ½ O2 + électrons Cycle de Calvin : dans le stroma

Les différents pigments n'absorbent pas la lumière de la même façon. L'énergie absorbée par les pigments accessoires (chlorophylle b, caroté-noïdes et xantophylles) est transmise à la chlorophylle a.

Pourquoi les plantes sont-elles vertes?

Pour faire du glucose, il faut : De l’énergie (ATP) Une source de carbone et d’oxygène (CO2) De l’hydrogène (les H+ qui viennent de l’eau dissociée) Des électrons riches en énergie Les électrons arrachés à l’eau et excités par la lumière ont perdu leur énergie (convertie en ATP). On doit les exciter à nouveau pour qu’ils soient utilisables dans la synthèse du glucose.

LIEN WEB Rubisco est la protéine la plus abondante de la planète

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L’augmentation de la concentration augmente le taux de réaction Facteurs affectant la photosynthèse: Concentration du CO2 La photosynthèse est une voie métabolique catalysée par une enzyme À haute concentration, l’augmentation n’a plus d’effet sur la réaction, puisque le CO2 est fixé à son maximum Taux L’augmentation de la concentration augmente le taux de réaction Le CO2 est le substrat dans la réaction, donc la courbe est similaire à celle de la concentration du substrat d’un enzyme  [ CO2 ] ==>  photosynthèse Pas tellement d'effets en milieu naturel (le taux de CO2 est à peu près constant dans l’air). En milieu artificiel, le taux de photosynthèse peut augmenter jusqu'à 5 X si on augmente le taux de CO2. CO2

Facteurs affectant la photosynthèse: Température La photosynthèse est une voie métabolique catalysée par une enzyme Taux L’enzyme dénature: Le site actif change et ne fonctionne plus L’augmentation de la température augmente le taux de réaction puisque les molécules ont plus d’énergie  température ==>  photosynthèse jusqu'à une température limite à partir de laquelle les enzymes commencent à être dénaturées. Température

Facteurs affectant la photosynthèse: Intensité lumineuse La photosynthèse est une voie métabolique catalysée par une enzyme À haute intensité lumineuse, l’augmentation n’a plus d’effet sur le taux de réaction, car tous les chloroplastes fonctionnent au maximum. Taux L’augmentation de l’intensité lumineuse augmente le taux de réaction Alternance lumière / noirceur Longueur d'onde (important dans l'eau où la longueur d'onde de la lumière change avec la profondeur). Beaucoup d'enzymes du cycle de Calvin ne sont actives qu'en présence de lumière. Intensité lumineuse

Bibliographie / Remerciement Gilles Bourbonnais Cégep de Sainte-Foy Damon, Alan, et al. Higher Level Biology. London, England. Pearson Education Limited. 2007. 710 pages. ANONYME. Biology. Australia. IBID Press. 2008 Allot, Andrew. Biology for the IB diploma – Standard and higher level. New York. IB Study Guides. Oxford University Press. 2007. WALPOLE, Brenda et al.  Biology for the IB Diploma. New York, Cambridge University Press, 2011, 602pages.   REECE, Jane. et al. Biologie 4e édition, ERPI, 2012, 1458 pages