Énergie et cellule vivante. Chapitre 1 : La photosynthèse

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Thème 1 - Énergie et cellule vivante.
Chapitre 1 : La photosynthèse : de l’énergie lumineuse à l’énergie chimique.
Qu’est-ce que la matière organique ? De quoi est constituée la matière organique ?
La matière vivante est principalement constituée d’eau et de molécules carbonées ou matière
organique (glucides, lipides, protides, acides nucléiques).
Dans la matière vivante le carbone est toujours lié à des atomes d’hydrogènes, souvent également à
des atomes d’oxygènes.
Pour assurer ses fonctions, la cellule doit avoir recours à une source d’énergie lui permettant de
produire sa matière organique. L’ensemble des réactions chimiques constitue le métabolisme.
PB : Comment les végétaux fabriquent-ils leur matière organique ?
I.
Les conditions de formation de la matière organique chez les végétaux chlorophylliens.
La démarche expérimentale :
1. Concevoir une stratégie pour résoudre un problème scientifique.
2. Mettre en œuvre le protocole de résolution.
3. Traiter des données et communiquer des résultats.
4. Exploiter des résultats pour répondre au problème.
Hypothèse attendue : Lumière, CO2, eau, sels minéraux
PB attendu : Comment voir que la plante produit de la matière organique ? Avez-vous prévu les
résultats attendus. Revenir à l’introduction, que peut-on mettre en évidence comme matière
organique
Protocole :
1. Prélever une feuille placée à la lumière, une feuille avec un cache opaque, une feuille placée à
la lumière et en absence de CO2, une feuille panachée.( Chaque groupe s’occupera d’une des
feuilles)
2. Les plonger 5 minutes dans de l’alcool bouillant dans un bécher.
3. Recouvrir d’eau iodée dans une boite de pétri
4. Marquer votre nom et les conditions sur la boite de pétri
Conditions
expérimentales
Test eau iodée
Interprétation
Résultats attendus
A. La lumière, source d’énergie.
En absence de lumière, les végétaux chlorophylliens ne produisent plus de Mo : La lumière est donc
la source d’énergie utilisée par les végétaux chlorophylliens pour fabriquer leur matière
organique.
B. Le CO2, source de carbone.
En absence de CO2 atmosphérique, il n’y a plus de production de matière organique par la plante :
Le CO2 est donc la source de carbone utilisée par les végétaux chlorophylliens pour fabriquer
leur matière organique.
C. Les sels minéraux et l’eau
En absence d’eau les végétaux chlorophylliens meurent : L’eau est donc indispensable à la survie
de ceux –ci.
Il en est de même pour les sels minéraux.
Conclusion : Equation bilan simplifiée.
6 CO2+6 H20
C6H1206+ ?
En fait 12H20
D. Le dioxygène, un déchet de la photosynthèse.
Comment mettre en évidence ce rejet d’O2 ?
PB : Quel est l’origine du rejet de dioxygène ?
6H2O
Le dioxygène libéré lors de la photosynthèse contient de l’ isotope O18 dans les mêmes proportions que l’eau de la
solution de départ. L’oxygène de la molécule d’eau est libéré par le végétal chlorophyllien sous la forme d’une
molécule de dioxygène.
Si c’est le dioxyde de carbone qui est marqué, le dioxygène rejeté n’est pas dans les mêmes proportions que le CO2.
L’oxygène de la matière organique provient du dioxyde de carbone.
Conclusion : Equation bilan de la photosynthèse
6 CO2+
12 H20
C6H1206+ 6 O2 + 6 H20
Conclusion : Le CO2 est réduit (à placer sur l’équation bilan) en présence de lumière pour fabriquer
de la matière organique : on parle de photo-autotrophie pour le carbone.
L’eau est oxydée lors de cette réaction en dioxygène. La photosynthèse est donc une réaction
d’oxydo-réduction.
Remarque : Nous avons donc plusieurs marqueurs de l’activité photosynthétique : la production de
matière organique en présence de lumière, de dioxygène ou la consommation de dioxyde de carbone.
QCM
II. Localisation de la photosynthèse au niveau cellulaire.
A. Mise en évidence.
Matériel : Elève : microscope + lames et lamelles dans portoir+ eau iodée concentrée+verre de
montre + ciseaux + 1 pinces
Paillasse prof : Feuilles élodées à la lumière forte depuis 1 jour avec du hydrogénocarbonate de
sodium ( et pas de potassium PRATT 0.1 à 1 %)
La démarche expérimentale :
1. Concevoir une stratégie pour résoudre un problème scientifique. ( schématiser+ penser au témoin)
2. Mettre en œuvre le protocole de résolution.
3. Traiter des données et communiquer des résultats.
4. Exploiter des résultats pour répondre au problème.
Des expériences de coloration à l’eau iodée montrent que c’est dans des les chloroplastes, que
se fait la production de matière organique (sous forme d’amidon)
B. Le chloroplaste, organite clé de la photosynthèse.
Livre page 17 doc. 2. Légender le schéma d’un chloroplaste.
Les chloroplastes contiennent un liquide appelé stroma délimité par une double membrane,
membrane externe et membrane interne, et des sacs aplatis appelés thylakoïdes. Les thylakoïdes
s’empilent formant des structures appelées granum.
Membrane externe
Membrane interne
Stroma
Espace intra thylakoïdien
Membrane du thylakoïde
Amidon
Granum
Schéma de l’ultrastructure d’un chloroplaste.
Remarque : Les chloroplastes apparaissent colorés car ils contiennent des pigments. Ceux -ci jouent
un rôle dans la photosynthèse ( voir grand I)
PB intermédiaires : Quels sont ces pigments contenus dans les chloroplastes et quel(s) est leur
rôle(s) ?
III.
Les pigments contenus dans les chloroplastes.
A. La nature des pigments.
Laisser la cuve se saturer en produit = mathilde
La démarche expérimentale :
1. Concevoir une stratégie pour résoudre un problème scientifique.
Il faut pouvoir isoler les pigments, on va faire une chromatographie.
TP activité 1 et 2
La plupart des végétaux contiennent trois types de pigments :
 Les chlorophylles a et b de couleur verte
 Les xanthophylles de couleur jaune
 Les caroténoïdes de couleur jaune orangé
Remarque : Certains végétaux comme les algues brunes
possèdent d’autres pigments ( pour moi flavones, anthocyanes….
Les pigments photosynthétiques sont regroupés dans
la membrane des thylakoïdes en complexes pigment protéine
appelés photosystèmes.
B. Absorption des radiations lumineuses
Pour mettre en évidence l’absorption de la lumière par les pigments, on utilisera un spectromètre
TP activité 3 à 8 attention il y a superposition du spectre de la chlorophylle brute sur celui de l’alcool
Un pigment est une substance colorée qui absorbe certaines longueurs d’ondes de la lumière et renvoie toutes les
autres (ce qui détermine la couleur du végétal).On parle de spectre d’absorption des pigments chlorophylliens.
A l’aide du spectromètre, on détermine le spectre d’absorption d’une feuille qui absorbent la lumière pour
des longueurs d’ondes de 400-500 nm (bleu) et 650-670 nm (rouge).
On remarque à l’aide de l’expèrience d’Engelman que cette absorption s’accompagne d’un rejet de dioxygène. Or
on sait que ce rejet de dioxygène est lié à la photosynthèse. L’absorption de lumière par les pigments de la
plante est donc lié à la photosynthèse. On parle alors de pigments photosynthétiques.
Mesurer à l’aide du spectrophotomètre le % d’absorption en fonction de la longueur d’onde. Chaque groupe fait une
mesure. Tracez la courbe sur excel ou sur papier
%
D’absorption
Longueur
d’onde nm
Remarque: L’absorption de la solution de pigments bruts correspond à la somme de l’absorption de chaque
pigment. La présence de plusieurs pigments ayant des pics d’absorption différents permet une meilleure absorption
de la lumière.
SPECTROMETRE en physique courbe
Prendre le modèle des physicien avec le réseau à placer sur la lentille
Spectres d'absorption des pigments d'une feuille.
Spectre d'absorption de la chlorophylle a
Conclusion : La chlorophylle a absorbe fortement à 430 nm (bleu) et 660 nm (rouge).
Spectre d'absorption de la chlorophylle b
Conclusion : La chlorophylle b absorbe fortement à 445 nm ( bleu) et 645 nm ( rouge).
Spectre d'absorption du carotène
Conclusion : Le ß carotène absorbe essentiellement entre 400 et 500nm.
Séance 4
Plusieurs TP possibles :l es pigments photosynthétiques des feuilles rouges : on cherche à savoir si les feuilles de
couleur rouge disposent de pigments photosynthétiques absorbant les mêmes radiations lumineuses que les feuilles
vertes ou Livre page 31 ou Tp les brachtées et la capacité photosynthètique.
PB : comment cet énergie lumineuse est-elle utilisé par la cellule chlorophylliennes ?
IV. Le déroulement de la photosynthèse.
A. La phase photochimique . ( à réviser avec votre livre)
Rappel : Le bilan des transformations de la photosynthèse peut s’écrire.
oxydation
12 H2O + 6CO2
C6H1206 +602 +6H20
Réduction
TP Expérience de Hill ou voir doc page 21 doc 4
La réaction de Hill montre que la production de dioxygène donc la photosynthèse ne se fait qu’en
présence de lumière et d’un accepteur d’électrons et de protons (appelé R).
Conclusion : La première étape de la photosynthèse est une réaction d’oxydo-réduction entre l’eau
et des composés notés R
2H2O + 2R
2RH2+ O2
Cette réaction nécessite de l’énergie apportée par la lumière et un système capable de
convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique que sont les pigments photosynthétiques.
Il y a donc conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique .On parle de phase
photochimique.
Cette réaction est couplée à une autre réaction. En effet une partie de l’énergie libérée lors de la
réduction de l’accepteur d’électron permet la synthèse d’une molécule appelée ATP (molécule
énergétique).
ADP + Pi + Energie
ATP
Rappels :
Oxydation correspond :
- à perdre des protons ou des électrons ;
- à ôter de l’hydrogène et à fixer de l’oxygène.
Réduction correspond :
à gagner des protons ou des électrons
à ôter de l’oxygène et à fixer de l’hydrogène.
Construction schéma première phase ( Une couleur pour H, une couleur pour O)
Lumière
2H2O
THYLAKOÏDE
Contenant la chlorophylle
O2
ENERGIE
4H
2R
2 RH2
ADP+ Pi
ATP
CO2
PB : Et le CO2, comment est il intégré à la matière organique ?
B. L’intégration du CO2 dans la matière organique. ( à réviser avec votre livre)
Doc 2 page 20, doc 1 page 20
L’incorporation du CO2 dans la matière organique se réalise à la lumière mais continue encore
quelques secondes (15 secondes) à l’obscurité. La fixation du CO2 ne requiert donc pas
directement la lumière mais des éléments chimiques fabriqués à la lumière (ATP et RH2).
Lire expérience de Calvin page Doc. 1 page 18. Doc 2 page 19.
Quelle est la première molécule synthétisée, la seconde ?
La première molécule organique synthétisé est l’APG ( acide phosphoglycérique)
Saisie, conclusion
Courbe 1 : A la lumière, les quantités de RuBP (Ribulose 1-5 bisphospate molécule à 5 carbones
= C5 = C5P2) et APG (C3) sont constantes. Quand on passe à l’obscurité, la quantité de RuBP
diminue, celle d’APG augmente (puis diminue lorsqu’il n’y a plus de RuBP ): Cela suggère que
APG donne RuBP.
Courbe 2 : A la lumière et en présence de CO2, APG et RuBP sont constants. Lorsqu’il n’y a plus
de CO2, la quantité de RU-BP augmente, celle d’APG diminue. Cela suggère que le RuBP +
CO2 permet la formation d’APG. En fait deux molécules d’APG sont formées : 2 C5 + CO2 = 2
C3 ( on le voit sur la première courbe, ou APG = 2RuBP)
Conclusion : Le cycle de Calvin, Benson ( doc 3 page 19)
Remarque : La Rubisco enzyme catalysant l’intégration du CO2 est présente dans le stroma mais
pas dans les thylakoïdes. On en déduit c’est dans le stroma que se fait l’incorporation du CO2
2H2O
O2
Lumière
THYLAKOÏDE
ENERGIE
4H+
Stroma
2R
2 APG
CO2
2 RH2
ADP+ Pi
Cycle de
Calvin
C5P2
ribulose 1.5
QCM schéma bilan
QCM livre page 28
Trioses
phosphates
ATP
Glucide
s