Chapitre 1
La photosynthèse :
de l'énergie lumineuse à l'énergie chimique.
REVISION DES ACQUIS
* Document 1 p 10 : La matière organique.
* Document 2 p 10 : Organisation de la cellule et son fonctionnement.
* Document 3 p 11 : La production de mat. organique par les végétaux.
* Document 4 p 11 : Comment se procurer de la matière organique lorsqu'on est non chlorophyllien ?
SYNTHESE page 12.
1/ La photosynthèse : définition et localisation.
| REMARQUE : REVOIR LE COURS TRONC COMMUN de Terminale S sur la structure des feuilles. |
1-1/ la photosynthèse à différentes échelles
Voir TP 1-2 : La photosynthèse à différentes échelles.
Les parties vertes des végétaux (ce sont principalement les feuilles) sont le siège de la photosynthèse : fabrication de matière organique (amidon : polymère de glucose) à partir de l'énergie lumineuse. Cette photosynthèse s'accompagne d'une consommation de CO2 et d'un rejet d'O2.
1-2/ Le chloroplaste : organite compartimenté.
Question : En vous basant sur les documents de la page 16 du livre, réalisez un schéma légendé qui montre que le chloroplaste est un organite présentant plusieurs compartiments.
Le chloroplaste, organite clé de la photosynthèse présente une structure compartimentée. Sa structure est présenté dans le schéma ci-dessous.
Schéma présentant la structure d'un chloroplaste.
1-4/ Le Bilan chimique de la photosynthèse.
Travail : Questions 3 et 4 page 15 du livre.
Q3 : L'étude du doc 4 montre que le carbone du C02 se retrouve dans la matière organique produite lors de la photosynthèse. L'étude du doc 5 montre c'est l'oxygène de l'eau (H20) et non du CO2 qui est dégagé sous forme de dioxygène lors de la photosynthèse
RAPPEL : une oxydo-réduction est une réaction chimique dans lequel un atome donne des électrons (il est oxydé) à un autre atome qui en gagne (il est réduit).
Q4 : Dans la molécule de CO2, l'oxygène plus électronégatif que le carbone capte les électrons donc on peut dire que le carbone céde des électrons donc il est alors dans un état OXYDE (nb d'oxydation +4 donc 4 electrons perdus). Incorporé à la molécule de glucose dont la charge est nulle, le carbone a un nombre d'oxydation qui devient égal à 0, il est donc passé de +4 à 0 : il a été RÉDUIT (il a gagné 4 électrons).
Dans la molécule H20, l'oxygène plus électronégatif que l'hydrogène capte les electrons de l'hydrogène. Il est donc à l'état REDUIT (nb d'oxydation -2 donc 2 electrons gagnés). L'oxygène de l'eau étant incorporé lors de la photosynthèse au dioxygène (ou le nombre d'oxydation est de 0), l'oxygène de l'eau a donc été OXYDE lors de la photosynthèse.(il est passé de -2 à 0, et chaque atome d'oxygène a perdu 2 électrons).
Complément d'explication : Les atomes de carbone du C02 sont donc réduits et deviennent du carbone organique au sein des molécules d'amidon, alors qu'en parallèle les atomes d'oxygène de l'eau sont oxydés et libérés sous forme de dioxygène. La photosynthèse est donc une réaction d'oxydo-réduction avec couplage de 2 réactions chimiques : une réduction du carbone du CO2 (qui nécessite des électrons) couplée à une oxydation de l'oxygène de l'eau (qui donne des électrons) :
| 6 CO2 --> REDUCTION DU CARBONE --> C6 H12 O6 6 CO2 + 12 H2O --------> C6 H12 O6 + 6 O2 + 6H2O ----------------- 12 H2O ----> OXYDATION DE L'OXYGENE ---> 6 O2 |
L'énergie nécessaire à cette étape capitale est fournie par la LUMIERE !
La Bilan chimique de la photosynthèse peut se représenter de la manière suivante :
6 CO2 + 12 H2O + Energie lumineuse --------> C6 H12 O6 + 6 O2 + 6H2O
La photosynthèse produit donc de la matière organique (C6 H12 O6) à partir de l'énergie lumineuse. L'utilisation de traceurs montre que l'oxygène rejetée provient de l'oxydation (perte d'électron) des atomes d'oxygène de l'eau, et que le carbone de la matière organique provient d'une réduction (gain d'électron) des atomes de carbone du CO2. Ces deux réactions ( oxydation de l'oxygène de l'eau et réduction du carbone du C02) sont couplées dans une réaction d'oxydo-réduction (échange d'électrons). C'est l'énergie lumineuse qui fourni l'énergie nécessaire à cette reaction d'oxydoréduction.
2/ La photosynthèse : Un processus à deux phases.
Travail : Questions 2 et 3 page 17 du livre.
Le processus de photosynthèse peut se découper en deux phases couplées :
- la phase photochimique (qui se déroule au niveau des thylakoïdes) qui produit de l'oxygène à partir d'énergie lumineuse et en présence d'un oxydant (accepteur d'électron) (voir réaction de Hill).
- la phase chimique (qui se déroule dans le stroma) qui produit de la matière organique à partir du carbone du CO2.
3/ La phase photochimique : conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique.
3-1/ La diversité des pigments chlorophylliens.
Activité : Etude d'une chromatographie des pigments chlorophylliens (voir protocole et résultats page 18)
Les parties vertes des végétaux contiennent plusieurs pigments : chlorophylle a, chlorophylle b, xanthophylles, caroténoïdes. Ce sont ces pigments qui donnent la couleur verte aux végétaux chlorophylliens.
3-2/ Le rôle des pigments chlorophylliens.
Voir TP 3 : L'absorption de l'énergie lumineuse par les végétaux chlorophylliens.
Exercice : A partir de létude du document n° 2 page 18, Comparez le spectre d'absorption d'un végétal chlorophylien et les spectres d'absorptions des différents pigments.
Remarque : notion de spectre d'absorption des pigments d'un végétal chlorophyllien (=inverse transmittance étudiée au TP3 !).
d'après le site de Jussieu (Voir le site)Les longueurs d'ondes absorbées par les végétaux chlorophylliens et efficaces pour la photosynthèse correspondent aux longeurs d'ondes de 400 à 500 nm (bleu) et 600 à 700 nm (rouge), ce qui explique que les végétaux sont verts (seul lumière dans le domaine visible qui n'est pas absorbée). Ce sont les pigments chlorophylliens(chlorophylle a et b, caroténoides, xanthophylles) présents dans la membrane des thylakoïdes des chloroplastes qui absorbent l'énergie lumineuse, et permettent ainsi la photosynthèse.
3-3/ Bilan de la phase photochimique : la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique.
Question : Questions 1 page 21 du manuel
- Dans la membrane du thylakoïde, un ensemble de pigments nommé "antenne collectrice" (carotène + Xanthophylle + chlorophylle b) absorbe les photons. L'absoption de l'énergie lumineuse par cette "antenne" provoque une oxydation de la chlorophylle a qui va donc libèrer alors des électrons (elle se retrouve alors en dette d'électron, soit à l'état oxydé).
- Ces electrons sont alors pris en charge par plusieurs molécules dans la membrane du thylakoïde jusqu'à un accepteur final d'électron R. Ce corps R (situé dans le stroma) aprés capture des électrons et de deux protons passe à l'état réduit RH2. Ces molécules RH2 possèdent la capacité d'assurer de nombreuses réactions chimiques car elle contiennent du pouvoir réducteur ( ce sont des réservoirs à électrons pour la cellule).
- Parallèlement, le déplacement (flux) d'électrons entre la chlorophylle a et l'accepteur final R fournit (indirectement) de l'énergie à une enzyme enchâssée dans la membrane des thylakoïdes, du côté du stroma. Cette enzyme, est une ATP-synthase qui utilise un ADP et un Pi situés dans le stroma pour synthétiser une molécule d'ATP (structure, voir page 20). Cette molécule d'ATP est une réserve d'énergie chimique fondamentale pour la cellule.
- Simultanément au phénomène précédent, la lumière agit sur les molécules d'eau en les dissociant, on parle de photolyse. Ceci produit de l'O2, des protons H+ et des électrons. Ceci correspond à une oxydation de l'eau (qui perd des électrons). Les électrons perdus par l'eau sont destinés à être récupérés par la chlorophylle a, à qui il en manquait, et qui peut alors de nouveau donner des électrons. (l'O2 est donc un déchet de la phase photochimique).
BILAN ENERGETIQUE :
A l'issue de la phase photochimique, L'énergie lumineuse a été convertie en énergie chimique. En effet, le stroma des chloroplastes se trouve enrichi en molécules chimiques énergétiques : LES TRANSPORTEURS RÉDUITS (RH2) qui contiennent du pouvoir réducteur et LES MOLÉCULES ÉNERGÉTIQUES D'ATP.
4/ la phase chimique : synthèse des molécules organiques. :
TRAVAIL : Etude des documents de la page 22 : réalisation de la tâche complexe.
BILAN : La phase chimique assure l'incorporation de molécules de dioxyde de carbone dans des molécules organiques tel que le glucose. Elle se déroule sous la forme d'une suite de réactions chimiques appelées CYCLE DE CALVIN (DOC 4 p 23). Dans cette suite de réactions chimiques, une enzyme est à retenir : l'enzyme Rubisco qui permet d'incorporer le CO2 dans le 3-Phosphoglycérate (APG). Avec 3 tours de cycles (3 CO2 incorporés), il est fabriqué une molécule organique à 3 carbones, le glycéraldéhyde-3-phosphate qui permettra la formation de nombreuses molécules organiques tel que le Glucose.
Ce cycle a lieu dans le stroma et dépend directement de la production de transporteurs RH2 et d'ATP par la phase photochimique. Cette phase est donc couplée à la phase photochimique.
Cette phase chimique va permettre le stockage de l'énergie chimique (RH2 et ATP) issu de la phase photochimique sous forme de molécules organiques énergétiques tel que le glucose. Il est possible d'établir le bilan de cette phase chimique sous forme d'une équation :
6CO2 + 12RH2 + 18ATP ------> C6H12O6 +12R +18ADP + 18Pi