Sciences de la Vie et de la Terre Programme de spécialité Cours de terminale S Programme de spécialité

Thème 1 - Diversité et complémentarité des métabolismes Thème 2 - Des débuts de la génétique aux enjeux actuels des biotechnologies Thème 3 - Du passé géologique à l’évolution future de la planète

(végétaux chlorophylliens) Chapitre I : Du carbone minéral aux composants du vivant : la photo-autotrophie pour le C Introduction : révisions de seconde lumière NRJ cellule autotrophe (végétaux chlorophylliens) Eau + sels minéraux Matière organique NRJ CO2 chloroplastes O2 mitochondries O2 CO2

(animaux et champignons) cellule hétérotrophe (animaux et champignons) Eau + sels minéraux Matière organique NRJ O2 Mitochondrie Matière organique (glucose par exemple) NRJ CO2

Photo-autotrophie hétérotrophie Carbone minéral Carbone organique

écosystème biotope biocénose I ) Le cycle du carbone dans les écosystèmes A ) définition d’un écosystème écosystème biotope biocénose

complétant le document ci-dessous. B ) Le fonctionnement d’un écosystème A B Signifie A est mangé par B Travail: activité livre p.176 Exercice : Choisir un type d’écosystème et proposer un réseau trophique possible en complétant le document ci-dessous.

Carbone a l’état réduit C ) La régulation du cycle du Carbone dans les écosystèmes Carbone a l’état oxydé CO2 dans l’air ou HCO3- dissout dans l’eau Respiration et fermentation photosynthèse Carbone a l’état réduit Dans la matière organique (C6H1206 par exemple)

II ) L’incorporation du CO2 par les producteurs primaires : autotrophie du végétal Problème 1 : Quelles sont les structures permettant l’absorption du CO2 ? A ) Les producteurs primaires incorporent le CO2 au niveau des feuilles Mise en évidence de l’incorporation du CO2 au niveau des feuilles (doc2 p.179)

Coupe transversale de feuille chlorophyllienne  Structure de la feuille : TP n°1 Coupe transversale de feuille chlorophyllienne Épiderme supérieur Parenchyme palissadique Parenchyme lacuneux Épiderme inférieur

Stomate observé au microscope à lumière (photonique) X1000

Rapport structure/fonction de la feuille chlorophyllienne Energie lumineuse (photons) Parenchyme palissadique Matière organique H2O + sels minéraux CO2 Rapport structure/fonction de la feuille chlorophyllienne

Problème 2 : A quoi sert le CO2 dans la cellule chlorophyllienne ? B ) Les producteurs primaires utilisent le CO2 pour fabriquer la matière organique voir expérience en démonstration +TP n ° 1 +livre p.178 C ) Du Carbone minéral aux composants du vivant : 1 ) Le chloroplaste , organite cytoplasmique spécialisé chloroplastes au microscope optique

chloroplaste au microscope électronique

Structure schématique d’un chloroplaste

2 ) L’énergie lumineuse est captée par les pigments chlorophylliens des membranes des thylakoïdes  TP n ° 2 : chromatographie de la chlorophylle brute corrigé du TP : page 196

Exercice maison : n°3 page 213 Problème 3 : Comment du CO2 + de H2O + photons peuvent permettre la synthèse de molécules organiques ? Comment cette conversion est-elle possible ?

3 ) L’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique dans les chloroplastes la photosynthèse peut donc être globalement considérée comme une réaction complexe d’oxydoréduction Quelle est la réaction d’oxydation ?  Doc 2 page 201  Deux phases se succèdent et se complètent dans la photosynthèse : la phase photochimique ( oxydation de l’eau ) la phase non photochimique ( réduction du CO2 par la synthèse de glucides ) a . La phase photochimique de la PS  TP n ° 3 : l’expérience de Hill Schéma bilan de la phase photochimique :

Schéma bilan de la phase photochimique : Photons = énergie lumineuse Stroma du chloroplaste Chla Membrane du thylakoïde 2e- Chaîne de transfert des e- énergie 2e- R RH2 H20 1/2O2 + 2e- +2H+ ADP + Pi ATP

Les photons viennent frapper les pigments chlorophylliens qui réagissent en éjectant des électrons Ces électrons sont captés par des molécules accepteurs d’électrons situées dans la membrane des thylakoïdes et qui forment une chaîne de transfert d’électrons La chlorophylle qui a perdu des électrons est donc dans un état instable et va chercher à « récupérer » ses électrons Elle les prend aux molécules d’eau qui les cèdent facilement en se dissociant en électrons, protons et dioxygène (on parle d’oxydation de l’eau ou de photo-lyse de l’eau) Le dioxygène ainsi formé sort des cellules et correspond au dioxygène dégagé au cours de la photosynthèse. Ce dioxygène se forme donc à partir des molécules d’eau Les protons formés se combinent avec les électrons qui sortent de la chaîne de transfert Protons et électrons permettent la réduction d’un composé R en RH2. Ce composé R peut donc être considéré comme un accepteur final d’électrons (équivalent « in-vivo » du réactif de Hill). La chaîne de transfert des électrons est une suite de réactions d’oxydo-réductions qui libèrent de l’énergie : réactions exoénergétiques ou exergoniques. L’énergie ainsi libérée est récupérée par une réaction endoénergétique ou endergonique : de l’ADP (adénosine diphosphate) est transformé en ATP( adénosine triphosphate). ADP + Pi ATP énergie L’ATP est la molécule énergétique directement utilisable par toutes les cellules

Bilan de la phase photochimique : Utilisation des molécules d’eau Dégagement de dioxygène Formation de composés organiques intermédiaires : ATP(énergie utilisable) RH2 (composé réduit) Problème posé : pour expliquer la réaction globale de la photosynthèse, il reste à comprendre comment le CO2 est réduit en molécule organique (C6H12O6). 6 CO2 + 12 H2O + photons ------- C6H12O6 + 6O2 + 6H2O ? ? ? b. La phase non photochimique de la PS Comment est utilisé le CO2 dans la phase non photochimique ? Comment sont utilisés ATP et RH2, molécules produites lors de la phase précédente ? Travail sur l’activité 5 p.202

Document 1 : expérience de Calvin & Benson Document 2 : influence de la lumière Document 4 : le cycle de Calvin / Benson Document 3 : notion de couplage entre phase photochimique et phase non photochimique

Le cycle de Calvin & Benson : un bilan de la phase non photochimique X3 CO2 C3 APG X3 X6 Triose phosphate ADP ATP RuBP C5 Cycle de Calvin/Benson ADP ATP R RH2 Triose phosphate C3 X6 C3 X5 Triose phosphate X1 C3 2 tours de cycle Hexose phosphate = glucose C6H12O6 X1 C6

Phase non photochimique dans le stroma Lumière 02 Phase photochimique Dans les tylakoïdes H2O ADP ATP R RH2 couplage CO2 Cycle de Calvin glucose H2O Phase non photochimique dans le stroma

D . Le devenir des composés glucidiques formés par la réduction du CO2 Dans le chloroplaste Dans les cellules de la feuille A l’extérieur de la feuille  Organes de réserves : voir TP n°4

Schéma bilan du fonctionnement d’un végétal chlorophyllien feuille lumière tige Matière organique Sève élaborée : eau + matière organique eau + sels minéraux + CO2 CO2 Sève brute : eau + sels minéraux provenant des racines

Chapitre II : L’ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire Introduction I ) Des activités cellulaires consommatrices d’ATP A ) La synthèse de molécules Exemple : synthèse du glycogène glucoses ATP ADP glycogène

B ) Les mouvements cellulaires C ) Les mouvements intracellulaires Mouvements de cyclose

II ) Le couple ATP/ADP et les échanges d’énergie cellulaire.

Réaction endergonique adénosine P + H2O Liaison riche en NRJ + Pi adénosine P Réaction exergonique Réaction endergonique Réactif A Produit B

III ) Etude détaillée d’un exemple :ATP et contraction musculaire A ) Structure d’une fibre musculaire striée Fibres musculaires au microscope optique (coloration au bleu de méthylène)

(donne l’aspect strié au muscle) Fibres musculaires au microscope électronique Un muscle est formé de cellules qui ont fusionnées (présence de plusieurs noyaux) et qui forment les fibres musculaires . Chaque fibre musculaire est elle-même formée de sous unités appelées myofibrilles. Les myofibrilles sont constituées par la superposition d’éléments appelés sarcomères. Le sarcomère est l’unité de fonctionnement du muscle. Fibre musculaire myofibrille Sarcomère (donne l’aspect strié au muscle)

B ) mécanisme de la contraction musculaire : le rôle de l’ATP Le sarcomère est formé par deux types de filaments : filaments fins d’actine filaments épais de myosine Les filaments d’actine sont reliés au niveau des stries Z qui délimitent chaque sarcomère

Dans chaque sarcomère, les filaments d’actine et de myosine sont intercalés et glissent les uns par rapport aux autres lors de la contraction musculaire, entrainant un rapprochement des stries Z, donc un raccoucissement des sarcomères. La contraction simultannée de tous les sarcomères d’un muscle entraîne le racourcissement de celui-ci. Donc sa contraction.

Voir l’animation à l’adresse internet suivante : Comment s’effectue le glissement des filaments les uns par rapport aux autres ? Voir l’animation à l’adresse internet suivante : http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/contractionmuscle/contractmuscle.htm L’ATP se fixe sur les têtes de myosine et les décroche des filaments d’actine L’ATP est hydrolysé en ADP ce qui fait pivoter les têtes de myosine qui se refixent sur les filaments d’actine. L’ADP se détache des têtes de myosine qui pivotent alors en sens inverse et font alors coulisser les filaments d’actine, ce qui entraîne le raccourcissement du sarcomère et donc la contraction du muscle. Ainsi, la contraction musculaire ne peut se faire que si il y a intervention du couple ATP/ADP et donc utilisation d’énergie Dans le muscle, l’énergie chimique contenue dans l’ATP est convertie en énergie mécanique à l’origine de la contraction musculaire

Conclusion L’ATP est bien la seule source d’énergie directement utilisable pour permettre les activités cellulaires. Mais les stocks d'ATP des cellules ne dépassent pas quelques secondes de consommation. Donc les cellules doivent produire de l’ATP en permanence : quels sont les mécanismes cellulaires qui produisent de l’énergie sous forme d’ATP sachant que toutes les cellules ne sont pas chlorophylliennes ?

I ) La respiration : une oxydation complète de la matière organique Chapitre III : utilisation des composés organiques pour la production d’ATP Introduction Problème : quels sont les mécanismes cellulaires et moléculaires de la respiration et de la fermentation alcoolique ? I ) La respiration : une oxydation complète de la matière organique Etude expérimentale de la respiration cellulaire Voir TP n°6 + lire activités 1,2 et 3 pages 232 à 237

Fiche correction du TP N° 6 (à récupérer sur site internet) B- Les 3 étapes de la respiration cellulaire Etape 1 : la glycolyse au sein du cytoplasme Etape 2 : la dégradation du pyruvate dans la matrice mitochondriale Etape 3 : la production importante d’ATP au niveau des crêtes mitochondriales Fiche correction du TP N° 6 (à récupérer sur site internet)

C6H1206 + 602 + 6H20 6C02 + 12H20

Mitochondrie observée au MET ( X10000) Le rôle des mitochondries Mitochondrie observée au MET ( X10000) Membrane externe enveloppe Espace intermembranaire Membrane interne matrice Crête mitochondriale (repli de la membrane interne)

glycolyse glucose pyruvate C02

Les trois grandes étapes de la respiration cellulaire Nom localisation Substrat utilisé Produit(s) formé(s) Nombre d’ATP formés Première étape Deuxième Troisième 1Glucose R’ 2 glycolyse hyaloplasme 2 pyruvates R’H2 6CO2 R’H2 2 Décarboxylations oxydatives 2Pyruvates R’ Matrice de la mitochondrie Crêtes mitochondriales Chaîne respiratoire R’H2 602 R’ 12H20 32

Schéma de fonctionnement de « l’usine énergétique mitochondriale » 1ère étape 2ème étape 3ème étape BESOINS « DECHETS » glucose 02 02 glucose ADP ATP R’H2 R’H2 H20 pyruvate CO2 ADP ATP ADP ATP C02 H20 mitochondrie hyaloplasme

Calcul du rendement énergétique de la respiration cellulaire : Sachant que l’oxydation complète « in vitro » d’une mole de glucose libère 2860 KJ et que à une mole d’ATP correspond une énergie chimique potentielle de 36 KJ, calculer le rendement énergétique de la respiration cellulaire. Pour comparaison : un moteur essence à un rendement maximum de 36 % (15% en ville) et une cellule photovoltaïque un rendement de environ 12%. Le rendement représente le rapport entre l’énergie récupérée et l’énergie qu’il a fallu fournir pour la produire. Ce rapport est donc ici énergie des ATP/ énergie du glucose donc 36 X 36 / 2860 = 45% environ. Par comparaison avec d’autres mécanismes qui produisent de l’énergie, ce rendement peut être considéré comme très élevé.

II ) La fermentation alcoolique , un autre moyen de produire de l’ATP Voir livre, activité 4 page 238 (Récupérer la correction de l’activité sur site internet) A- L’oxydation du glucose se réalise sans O2 dans le cytoplasme cellulaire Questions 1 et 3. C6H12O6 2C2H5OH +2CO2

B- Un renouvellement d’ATP à faible rendement Questions 2 et 4.

« diversité et complémentarité des métabolismes » Bilan de la partie « diversité et complémentarité des métabolismes » I- Bilans énergétiques d’une cellule autotrophe et d’une cellule hétérotrophe Travail : sur une feuille A3, représenter sous forme de schémas le fonctionnement d’une cellule autotrophe et celui d’une cellule hétérotrophe, en expliquant les principales étapes de la photosynthèse, de la respiration et de la fermentation alcoolique. II- Origine des mitochondries et des chloroplastes