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Thème 2 (1 des IO) : La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution de la vie : énergie et cellule vivante. Thème de sciences fondamentales, (biologie cellulaire); 3 mois
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Quels acquis autour de l'énergie ?
En physique ? En biologie (2e surtout) ? Sciences de la Vie et de la Terre Classe de Seconde : Thème : Enjeux planétaires contemporains - Energie, sols Chp1. Le soleil, source d'énergie pour les ecosystèmes actuels Indiquer quelle est la pricipale molécule qui capte l'énergie du soleil chez les végétaux verts Indiquer dans quel organite se trouve cette molécule Indiquer comment on appelle les cellules vertes qui contiennent cet organite. Donner l'équation-bilan simplifiée de la photosynthèse Indiquer ce que la photosynthèse permet de fabriquer Définir "Producteur primaire" et "Consommateur" Indiquer le rôle de la photosynthèse dans les écosystèmes actuels Tout au long de la scolarité en SVT : Des transformations affectent le vivant Le vivant connaît des transformations permanentes qui ont des effets visibles Les composants des systèmes vivants se transforment en permanence. Ces transformations sont source d’effets repérables à différentes échelles : --> À l’échelle de la biosphère, les êtres vivants interviennent dans le cycle du carbone, du dioxygène ou de l’eau. --> A l’échelle des écosystèmes, la matière est transformée au sein des réseaux trophiques --> A l’échelle des organismes, les différentes fonctions sont réalisées grâce à des processus spécifiques de la vie. --> Enfin, à l’échelle cellulaire se déroulent diverses réactions métaboliques. Diverses formes d'énergie permettent ces transformations À l’origine de ces transformations, diverses formes d’énergie peuvent être identifiées. Il s’agit de l’énergie lumineuse provenant du soleil et de l’énergie chimique. Les végétaux chlorophylliens nécessitent de l’énergie solaire pour synthétiser leur propre matière grâce à la photosynthèse. Cette matière est utilisée par les organismes non chlorophylliens. Les échanges gazeux respiratoires présents chez nombre d’organismes sont un indice d’une libération d’énergie chimique à partir de la matière. La contraction musculaire met en oeuvre une énergie mécanique. Un flux énergétique Il existe ainsi, à l’échelle de la biosphère et des écosystèmes, un flux énergétique intimement lié aux cycles de la matière permettant de passer de l’énergie lumineuse à l’énergie chimique et mécanique. Sciences Physiques et Chimiques Notions abordées dans le programme de physique-chimie de première S dans les deux domaines suivants : Matière et énergie : Énergie chimique libérée (lors d’une combustion), formes d’énergie et principe de conversion d’énergie, stockage et conversion de l’énergie chimique, réaction d’oxydoréduction. À propos de l'oxydoréduction : notion d'oxydant, de réducteur, demi équations, règle du gamma. Lumière et matière : Émission, absorption, énergie d’un photon, spectre solaire, caractéristiques des molécules organiques colorées. Cet aspect est complété en terminale S par une partie consacrée à l’analyse spectrale.
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Chapitre 1: la photosynthèse
I- Localisation de la photosynthèse Les parties vertes des plantes contiennent des cellules chlorophylliennes qui se repèrent en microscopie à leurs chloroplastes
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Coupe transversale feuille de houx
parenchyme au milieu des feuilles entre les 2 épidetrmes La photosynthèse se déroule dans des organes spécialisés : les chloroplastes
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Le chloroplaste en microscopie électronique
cf page 16 du livre La taille des chloroplastes est de l'ordre du micromètre Ce sont des disques aplatis en général de 2 à 10µm de diamètre ils contiennent un réseau de sacs : les thylakoides dans une matrice, le stroma
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Modèle tridimensionnel
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Les chloroplastes peuvent évoluer vers d'autres organites, en particulier vers des amyloplastes pour le stockage de l'amidon.
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Les feuilles sont les organes spécialisés dans la réalisation de la photosynthèse. Elles sont constituées de différents tissus: entre 2 épidermes, des parenchymes sont formés de cellules chlorophylliennes qui contiennent des chloroplastes. Les chloroplastes sont des organites compartimentés par des systèmes membranaires visibles en microscopie électronique. Ils contiennent de nombreux sacs aplatis appelés thylacoïdes.
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résultat manip TP1
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Bilan de la photosynthèse vu en 2e :
Equation bilan : 6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2 Bilan classique
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<- Fin XIXe :Bilan vu en 2e
< Blackman 2 phases historique intéressant pour se rendre compte des découvertes progressives... < Hill < Calvin
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II- les 2 phases de la photosynthèse
A- quelques expériences historiques 1) Expériences de Ruben et Kamen (années 1940 ) lecture 5 page 15 TP2
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2) expériences de Blackman (vers 1905) doc. 2 page 17 -> idée de 2 phases
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3) expérience de Hill (1939 ) oxydo réduction TP2
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Hill n'était pas conscient au départ des implications de son expérience.
Il voulait juste travailler sur des chloroplastes isolés. En fait le broyage libère des constituants des chloroplastes : les thylakoides Le stroma étant dilué, tout se passe comme si on travaillait avec des thilakoides Le réactif est un accepteur d'électrons préentation manip : mesure du taux d'O2 et attente du fait que cela augmente. L'expérience se déroule sur 10mn (ou mème plus) avec 2 mn de stabilisation puis 4 minutes de lumière puis 4 mn obscurité. A 4 mn injection réactif de Hill seulement 7 postes donc vous regrouper par 3 (pas de 4 ) souvent des problèmes : faux contacts au niveau des fils donc évitez les à coup, ne touchez plus la table perturbations possibles avec téléphones cellulaires donc éteignez vos téléphones plantes utilisées 2 2 et 3 groupes avec herbes lierre ou ombellifère. broyez pour obtenir un jus bien vert ajouter tampon, pas d'un seul coup mais en 2 fois 10ml faire assez vite car les thilakoides ont une durée de vie limitée. après broyage, filtrat puis pour garder les thilakoides vivants mettre jus dans enceinte et glace pour aller vers salle info. mettre à l'obscurité avec papier alu si pas assez de jus, ajoutez tampon pour arriver à 20ml puis aller salle info rq : mettre blouses et lunettes pour manipulations.
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Bilan : Des expériences ont montré que la photosynthèse comprend 2 phases - une phase photochimique qui se déroule au niveau des thylacoïdes et nécessite directement de l'énergie lumineuse et un oxydant - une phase chimique située dans le stroma, durant laquelle le CO2 est fixé et la matière organique est produite. Il y a couplage entre ces 2 phases
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1) les courbes avec taux de CO2 fixé ont une forme comparable avec une pente puis un plateau. Cela signifie que l'intensité lumineuse favorise la photosynthèse jusqu'à un certain point. Comme le plateau des courbes est d'autant plus hautque le taux de CO2 est élevé, cela signifie que le!co2 est limitant après l'intensité lumineuse un facteur est limitant lorsqu'il bloque un phénomène alors que tous les autres paramètres sont élevés et ne perturbent pas le phénomène 2) actuellement, le taux de CO2 est limitant une bonne partie de la journée donc l'augmentation du taux de CO2 peut favoriser la photosynthèse du blé
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B- la phase photochimique
But du TP : identifier quelles molécules d'une feuille ont pour rôle d'absorber l'énergie lumineuse TP : manipulation 1 chromatographie Une technique : la chromatographie sur papier (Wikipédia) Les chromatographies sont des méthodes de séparation de molécules. La chromatographie sur papier est une technique de chromatographie en phase liquide Pour effectuer une telle séparation, une petite quantité de la ou des solutions à analyser est déposée sur le bord d'une bande de papier de chromatographie. Cet échantillon est adsorbé par le papier ; ce qui signifie que les molécules interagissent avec ce dernier et qu'elles auront tendance à rester au même endroit. Le papier est ensuite trempé dans un solvant (éluant) comme un mélange eau/éthanol et placé dans un récipient fermé. Pendant que le solvant (éluant) monte le long du papier par capillarité, il rencontre l'échantillon et l'entraîne. Les différentes substances constituant l'échantillon migrent à différentes vitesses selon qu'elles interagissent plus ou moins fortement avec le papier. La chromatographie sur papier demande un certain temps (généralement plusieurs heures). Une fois l'opération terminée, généralement quand le front de solvant (éluant) est presque arrivé en haut du papier, le papier est retiré de la cuve et on laisse évaporer le solvant. Le résultat est appelé chromatogramme. Le chromatogramme est utilisé pour comparaison avec d'autres analyses effectuées sur des substances connues et prises dans des conditions identiques, pour identifier les substances de l'échantillon. Les substances peuvent être identifiées en calculant la valeur Rf qui peut être comparée à celles se trouvant dans les tables. Cette valeur est calculée de la façon suivante : Rf = (distance parcourue par l'échantillon) / (distance parcourue par le solvant) Il y a plusieurs façons d'identifier les endroits où se trouvent les produits ainsi séparés : --> les produits sont colorés, il n'y a rien de spécial à faire. --> les produits sont fluorescents, on peut les identifier sous une lampe ultraviolette. --> sinon, il faudra utiliser un révélateur qui réagira chimiquement avec les produits (en les détruisant) et dont le résultat sera coloré.
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Valeurs de Rf pour quelques molécules colorées (pigments) présentes dans les feuilles :
Carotène : 1 Xanthophylle : 0.51 Chlorophylle a : 0.4 Chlorophylle b : 0.22
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Manipulation 2 : spectroscopie
Absorption dans le rouge et dans le bleu
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La membrane des thylacoides contient les photosystèmes.
C'est compatible car la réaction de hill se fait sur chloroplastes broyés Ce sont des assemblages de pigments et de protéines qui traversent les membranes
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Représentation schématique d'une antenne de photosystème
Cette représentation montre que de très nombreuses molécules de pigments peuvent être excitées par les photons et qu'elles peuvent transmettre l'énergie reçue, par résonnance à la molécule de chlorophylle a du centre réactionnel
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4) des pigments servent d'antennes
la chlorophylle a est excitée et va perdre un électron 5) qui va passer dans un accepteur R qui se troouve réduit. cf expérience avec accepteur DICP nom R final = Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate ou NADP réduit en NADPH2 6) la chlorophylle a revient à son état initial par le système d'oxydtion de l'eau
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7)doc 1 à la lumière la quantité de R baisse
et celle de ATP augmente 8) par hydrolyse de l'ATP il y a libération d'énergie
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R final = Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate
ou NADP , réduit en NADPH2 om R final = Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate ou NADP réduit en NADPH2 8) le fort pouvoir réducteur de NADPH correspond à un stockage d'énergie
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L'expérience montre que c'est grace à un flux de protons que l'ATP est synthètisé
Il faut le gradient ph4 à ph8 Cette expérience est effectuée à l'obscurité. Il n'y a donc pas de transfert d'électrons, d'oxydation de l'eau ni aucune participation des photosystèmes. C'est uniquement la différence de pH (et donc la différence de concentration en H+) entre l'intérieur et l'extérieur des thylacoïdes qui a permis la synthèse d'ATP. C'est donc l’efflux de protons (depuis le lumen vers le milieu ) à travers l’ATP synthase qui provoque la synthèse d’ATP.
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A la lumière, grace au photosystème, les H+ s'accumulent dans le lumen
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Les H+ (= protons )servent à la production d'ATP
10 ) Bilan phase photochimique : la lumière permet le couplage de l'oxydation de l'eau en O2 avec la production d'ATP et celle de l'oxydant réduit en RH2
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C- La synthèse de MO Activités page 23
Le cycle de Calvin (aussi connu comme le cycle de Calvin-Benson) est une série de réactions biochimiques prenant place dans le stroma des chloroplastes des organismes photosynthétiques. Il a été découvert par Melvin Calvin et Andy Benson à l’université de Californie à Berkeley.
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L'expérience de Calvin montre que le C du CO2 marqué est incorporé d'abord dans le Rubp, puis dans le 3-phosphoglycerate (APG) et enfin dans du glucose ou des hexoses C'est confirmé par l'expérience du doc 3 : A l'obscurité, APG augmente, Rubp diminue La fabricatioàn de glucose arrète Durant la photosynthèse, l’énergie de la lumière a été convertie en énergie chimique conservée dans l’ATP et le NADPH. Le cycle de Calvin, indépendant de la lumière, utilise l’énergie de ces transporteurs à courte vie pour transformer le dioxyde de carbone en composés organiques qui peuvent être utilisés par l’organisme. Cet ensemble de réactions est aussi nommé fixation du carbone. L’enzyme clé du cycle est appelée Rubisco (Ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase/oxygénase). La somme totale des réactions du cycle de Calvin est : 6 CO NADPH + 18 ATP → C6H13O9P (glucose-6-phosphate) + 6 H2O NADP ADP + 17 Pi
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L'expérience d'Arnon a permis de mettre en évidence que
la fixation du dioxyde de carbone a lieu dans le stroma et que cette étape nécessite les produits de la phase photochimique (ATP et NADPH) réalisée par les thylakoïdes.
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Le cycle de calvin est une suite de réactions biochimiques.
Il se déroule dans le stroma des chloroplastes Le bilan du cycle est la formation d'une molécule de glucose à partir de 6 molécules de CO2 (et la consommation de 18 molécules d'ATP et 12 molécules de NadpH ) Il se déroule en 3 étapes : 1) incorporation CO2 :1 C5 + 1 CO2 donne 2 C3 donc 3 ribulose en C5 donne 6 APG en C3 2) réduction de l'APG en C3 glucose phosphate en 2 étapes catalysées par 2 enzymes 3) régénération du RuBP 5 C3 donnent 3 C5 1 C3 sur 6 sera incorporé dans des glucides simples (glucose)
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Le cycle de calvin est une suite de réactions biochimiques.
Il se déroule dans le stroma des chloroplastes Le bilan du cycle est la formation d'une molécule de glucose à partir de 6 molécules de CO2 (et la consommation de 18 molécules d'ATP et 12 molécules de NadpH ) Il se déroule en 3 étapes : 1) incorporation CO2 :1 C5 + 1 CO2 donne 2 C3 donc 3 ribulose en C5 donne 6 APG en C3 2) réduction de l'APG en C3 glucose phosphate en 2 étapes catalysées par 2 enzymes 3) régénération du RuBP 5 C3 donnent 3 C5 1 C3 sur 6 sera incorporé dans des glucides simples (glucose)
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3e étape : régénération RuBP
La régénération du RuBP se réalise grâce à un ensemble de réactions faisant intervenir des sucres à nombre varié de carbones : en C6 (fructose), C4 (érythrose) et C7 (sédoheptulose). A partir de 5 trioses phosphate (C3P) il se forme donc 3 pentoses phosphate (C5P) : Finalement, les pentoses phosphates formés (RuP) sont convertis en RuBP grâce à l'ATP. Cette réaction de phosphorylation est catalysée par la Phosphate Ribulose Kinase (PRK). La régénération du RuBP nécessite donc une molécule d' ATP supplémentaire par molécule de C02 fixé.
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Conclusion photosynthèse (d'après BMédia jussieu)
Schéma général de la photosynthèse dans le chloroplaste: à gauche, la phase primaire réalisée dans les membranes des thylacoïdes cpmprend les étapes de photochimie, de transfert d'électrons et de photophosphorylation, à droite, la phase biochimique (fixation et assimilation du CO2) représentée par le cycle de Calvin dans le stroma, au centre, les intermédiaires présents dans le stroma. cf
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