DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DES MÉTABOLISMES · On retiendra que la chlorophylle est formée...

Cours TS Spe SVT 2010/2011 Diversité des métabolismes

DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DES MÉTABOLISMES ............................................................................ 2

CHAPITRE I - DU CARBONE MINÉRAL AU CARBONE ORGANIQUE ................................................................................................... 2

1/ L'entrée du carbone minéral CO2 dans la biosphère .............................................................................................. 2

2 / Conditions et localisation de la photosynthèse ....................................................................................................... 3

3 / Le rôle des pigments chlorophylliens dans la capture de l'énergie lumineuse ....................................................... 4

A / Le spectre d'action de la photosynthèse et d'absorption de la chlorophylle ....................................................... 4

B/ Les différents pigments chlorophylliens .............................................................................................................. 4

4 / Transfert de l'énergie lumineuse en énergie chimique : phase photo-chimique de la photosynthèse .................... 5

A – L'oxydo-réduction dans les chloroplastes .......................................................................................................... 5

B - La réduction de la chlorophylle .......................................................................................................................... 6

5 / Fixation du carbone minéral par la plante et utilisation des produits de la phase photochimique (ATP et RH2) :

La phase non photochimique ....................................................................................................................................... 7

6 / Le transport et le stockage des produits de la photosynthèse ................................................................................. 8

7 / Schéma bilan des phases photochimiques et non photochimiques de la photosynthèse ......................................... 8

CHAPITRE II - IMPORTANCE DE L’ATP LE MÉTABOLISME CELLULAIRE : UTILISATION ET RÉGÉNÉRATION DE L’ATP ............................. 9

1 / Le rôle de l’ATP dans les mouvements des cellules ................................................................................................ 9

2 / la régénération de l’ATP ....................................................................................................................................... 10

A / La régénération de l’ATP en présence d’oxygène dans mitochondrie : régénération aérobie ......................... 10

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DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ DES MÉTABOLISMES

Exercice : compléter le schéma bilan du cycle du carbone

• Métabolisme : Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques ayant lieu à l'intérieur d'une cellule.

• Ecosystème : Ensemble, en un endroit donné, des êtres vivants et de leur milieu (sol, eau...).

• Carbone oxydé / Carbone réduit : C minéral sous forme oxydée (CO2, HCO3) et C organique (matière vivante) sous

forme réduite (CH4, C6H12O6…)

Dans les écosystèmes des relations trophiques

s'établissent entre les producteurs primaires autotrophes (qui

produisent leur matière organique à partir de matière minérale

grâce à la photosynthèse) et les divers producteurs secondaires

ou consommateurs hétérotrophes (qui produisent leur matière

organique à partir de la consommation de matière organique

existante).

Un écosystème à l’équilibre est donc à la fois producteur

et consommateur de matière organique : les activités conduisant à

la production d’O2 / consommation de CO2 (autotrophie) sont

en équilibre avec celles de production de CO2 / consommation

d’O2 (hétérotrophie).

Livre pages 10/11 / Savoir identifier des relations trophiques - producteurs primaires - producteurs secondaires

Problème : Comment le carbone passe t’il de l’état oxydé (minéral) à l’état réduite (organique) au sein des végétaux

chlorophylliens pendant la photosynthèse ?

CHAPITRE I - DU CARBONE MINÉRAL AU CARBONE ORGANIQUE

1/ l'entrée du carbone minéral co2 dans la biosphère

Problème : Comment le CO2 entre t’il dans les végétaux ?

TP / Entrée et distribution du CO2 dans les feuilles (voir Fiche élève)

Dessin d'observation légendé d'une coupe transversale de feuille de chêne

Dessin d'observation d'épiderme inférieur de polypode

Bilan : Le CO2 pénètre dans le végétal par les stomates situés principalement sur la face inférieure de la feuille. Le CO2 peut

ensuite être distribué aux différentes cellules à l'intérieur de la feuille. Une cuticule imperméable empêche le CO2 de sortir ou

rentrer de la feuille en dehors des stomates. Les plantes ont la capacité de fermer ou d'ouvrir le stomates en fonction des besoins.

Livre page 14/15

2/10 Lycée Jean Moulin Pézenas P. Carbonne

2 / conditions et localisation de la photosynthèse

Problème : Comment le CO2 est il utilisé dans les végétaux ?

TP / La localisation de la photosynthèse au sein des végétaux (Voir Fiche élève)

Expérience 1 : On cherche à savoir dans quelle(s) condition(s) les cellules chlorophylliennes produisent de l'O2.

On place dans une enceinte des euglènes (algue unicellulaire chlorophyllienne).

L'enceinte est munie d'une sonde à O2 permettant de mesurer la quantité de O2

dans l'eau. Ainsi on peut suivre les échanges de dioxygène entre les euglènes et

l'eau.

(voir le graphique ci-contre). On mesure ces échanges dans 2 conditions. On remarque

qu'à la lumière les euglènes dégagent de l'O2 tandis qu'à l'obscurité elles prélèvent de l'O2.

La lumière est donc un élément essentiel de la production d'O2 par les cellules

chlorophyllienne.

Expérience 2 : On cherche à identifier à quel endroit le CO2 est-il réduit dans les cellules ? Pour cela on recherche l'endroit

où l'amidon (polymère de glucose) est synthétisé ainsi que les conditions dans lesquelles il est synthétisé ?

On observe au microscope deux lots différents de cellules d'élodéés (algue verte pluricellulaire) colorées

au lugol. Le lugol est un réactif de l'amidon. En présence d'amidon le lugol se colore en bleu foncé.

On remarque une coloration bleue foncée dans les chloroplastes, uniquement en présence de lumière.

On en déduit que la synthèse d'amidon et donc la réduction du CO2 en glucose (C6H12O6) doit avoir lieu

dans le chloroplaste.

Expérience 3 : On cherche à identifier à quel type de réaction chimique est associée la

photosynthèse (réduction du carbone de CO2 en C6H12O6) ?

On observe au microscope deux lots différents de cellules d'élodéés (algue verte pluricellulaire) traités au AgNO3. AgNO3

(Ag+ NO3- est incolore lorsqu'il est sous forme réduite. Par contre il précicpite et devient opaque sous forme métallique

Ag).

On observe la présence de taches sombres opaques à l'intérieur des chloroplastes, uniquement lorsque les celulles

d'élodées sont placées à la lumière.

Donc à la lumière, l'ion argent est réduit : Ag++e- ----> Ag (opaque) (réaction de réduction)

Il existe doit donc exister un agent réducteur (un atome dans une molécule) à l'intérieur des chloroplastes qui donne un

électron.

Red --------> Ox + e-(réaction d'oxydation)

La photosynthèse du glucose est donc associé à une oxydo-réduction dans les chloroplastes.

Fiche elève : Structure et ultrastructure d'un chloroplaste (Thylacoïdes, granum, stroma, espace intra-thylacoïde)

Livre page 16-17 (Doc1)

Bilan : L'ensemble des informations ci-dessus permettent d'écrire un bilan provisoire de la photosynthèse. La photosynthèse à lieu

dans les chloroplastes, en présence de lumière. C'est une réaction d'oxydo-réduction amenant dans un premier temps à la

fabrication de glucose, puis à la polymérisation du glucose en amidon.

6CO2+6H2O -------> C6H12O6+6O2

puis n C6H12O6 -------------->(C6H10O5)n+ nH2O

Problème : Quelle molécule libère un électron lors de la photosynthèse ?


Cellules de feuilles de mousseMontées dans l'eau (en haut) etdans le nitrate d'argent (en bas).

3 / le rôle des pigments chlorophylliens dans la capture de l'énergie lumineuse

A / Le spectre d'action de la photosynthèse et d'absorption de la chlorophylle

TP - Extraction de la chlorophylle - spectre d’absorption - spectre d'action

Bilan : Livre page 18/19

Le spectrophotomètre permet de construire le spectre d'absorption de la lumière par la chlorophylle. On remarque ainsi que la

chlorophylle absorbe la lumière. Cependant l'absorption de la lumière visible n'est pas totale, seules les longueurs d'ondes entre 400

et 500 nm (bleu), ainsi qu'entre 600 et 700 nm (rouge) sont absorbées. Les longueurs d'ondes entre 500 et 600 nm sont peu

absorbées. Ces longueurs d'ondes correspondent à la couleur verte. Cela explique la pigmentation (couleur) verte de la

chlorophylle.

De plus on peut mesurer la production d'O2 lors de la photosynthèse pour des éclairages à différentes longueur d'ondes. Plus l'O2 est

dégagé, plus la photosynthèse est active. On obtient ainsi un spectre d'action de la photosynthèse. Ce spectre d'action révèle une

forte activité photosynthétique pour les longueurs d'ondes entre 400 et 500 nm (bleu), ainsi qu'entre 600 et 700 nm (rouge).

La corrélation des spectres d'absorption de la lumière par la chlorophylle et le spectre d'action de la photosynthèse permet de

supposer que la chlorophylle est à l'origine de la photosyntèse. On dira que la chlorophylle est un pigment photosynthétique.

B/ Les différents pigments chlorophylliens

TP - Chromatographie de la chlorophylle brute et spectres d'absorptions des pigments

Bilan : La chromatographie met en évidence que la chlorophylle brute est en réalité un assemblage de

différentes molécules. On retiendra que la chlorophylle est formée de 4 pigments photosynthétiques

différents contenus dans les thylacoïdes des chlorplastes. L'absorption globale(voir spectre

d'absorptionà) par les chloroplastres est donc due à la somme de l'absorption par chacun des pigments.

vert pâle (Chlorophylle b)

vert foncée (Chlorophylle a)

jaune (Xanthophylle)

orange (β Carotène)


4 / transfert de l'énergie lumineuse en énergie chimique : phase photo-chimique de la photosynthèse

A – L'oxydo-réduction dans les chloroplastes

Bilan : La chlorophylle brute isolée émet un rayonnement rouge foncé lorsqu'elle est éclairé fortement. On interprète cette

fluorescence :

- Absorption du rayonnement lumineux par un électron de la chlorophylle

- L'électron absorbe l'énergie et se retrouve à l'état excité (très instable : il peut alors être capturé par une autre molécule acceptrice

d'électrons)

- L'électron si il n'est pas capturé par une autre molécule, retombe à son état énergétique initial, libérant ainsi l'énergie absorbée

sous forme d'un rayonnement rouge.

Hypothèse : Lorsque la chlorophylle est dans les chloroplastes, cette fluorescence ne n'a pas lieu car l'électron est capturé

par une molécule accepteur d'électron. Il y a donc un couplage absorption de lumière avec réaction de réduction d'une

molécule acceptrice d'électron.

Chl > Chl+ + elec (oxydation de la chlorophylle)

On observe qu’en éclairant une solution de chlorophylle brute (séparée des chloroplastes) celle-ci émet un rayonnement (photon) rouge. Tandis qu’une solution de

menthe (verte aussi) n’émet aucun rayonnement dans les mêmes conditions.

La différence entre les deux c’est que la menthe absorbe le rayonnement lumineux et le transforme en chaleur, tandis que la chlorophylle absorbe le rayonnement

lumineux et le transforme en chaleur mais aussi en photon (moins énergétique = rouge)

A l’échelle atomique l’absorption de lumière se caractérise par le passage d’un électron d’état fondamental à un état excité (l’électron acquière alors une énergie

potentielle). L’émission de chaleur se fait lorsque l’électron retrouve son état initial (10-9 sec).

TP - La réaction de Hill

Résultats :

A la lumière,le tube devient vert, donc le DCPIP est incolore, donc le DCPIP est réduit

A l'obscurité le tube est de couleur bleu, donc le DCPIP est oxydé.

DCPIP (bleu) + 2e- + 2H+ > DCPIPH2 (incolore)

2Chl > 2Chl+ + 2e

Bilan : La réaction de Hill valide l'hypothèse du couplage de l'absorption de la lumière et d'une réaction de réduction. Il existe

donc une molécule R dans les chloroplastes qui est réduit lors de la photosynthèse. On dira que R est un accepteur d'électron.

R (oxydé) + 2e- + 2H+ > RH2 (réduit)

L'énergie lumineuse passe donc grâce à cette réduction, de la chlorophylle à la molécule RH2.


B - La réduction de la chlorophylle

Problème : Comment la chlorphylle récupère t'elle ses électons (afin que la capture de lumière puisse perdurer) ?

Suite du TP réaction de Hill

Expérience de Ruben et Kamen (1940) : Identifier l’origine de l’O2 formé lors de la photosynthèse

L’O2 produit par la photosynthèse provient de H20 : c’est la photolyse de l’eau H20 -> ½ O2 + 2 H+ +2 e-.

Bilan des équations d'oxydo-réduction :

R (oxydé) + 2e- + 2H+ > RH2 (réduit)

et

H20 > ½ O2 + 2 H+ +2 e-.

Soit

R + H20 > RH2 + ½ O2 (Lumière + Chloroplaste)

Oxydo / Réduction

Fiche ATP / ADP

Bilan de la phase photochimique ou phase claire de la photosynthèse : L’énergie lumineuse frappe la chlorophylle présente

dans les membranes des thylakoïdes. Cette énergie lumineuse est alors absorbée par un électron de la chlorophylle. L’énergie

contenue dans l’électron, va être transformée (grâce à des protéines de la membrane des thylakoïdes) en énergie chimique sous la

forme d’une molécule d’ATP.

Ces réactions sont couplées avec :

- une photolyse de l’eau qui permet de remplacer les électrons perdus par la chlorophylle.

- une réduction de R, l’accepteur d’électron en RH2.

La synthèse d’ATP se fait grâce à une protéine membranaire des thylacoïdes : ATP Synthase ou ATP synthétase.

Au terme de la phase claire de photosynthèse, la cellule dispose de : RH2 et ATP. Elle a rejeté de l’O2.


5 / fixation du carbone minéral par la plante et utilisation des produits de la phase photochimique (atp et rh2) : la phase non

photochimique

Problème : A quel moment et dans quelle condition la plante va t’elle réduire le carbone minéral et produire des molécules

organiques réduites ?

Exp. de Calvin p21 / Schéma bilan du cycle

Bilan :

La phase non photochimique consiste à transformer le CO2 (C à l'état oxydé dans la molécule minérale) en matière organique

(C à l'état réduit dans la molécule carbonée) au sein du stroma (voir chloroplaste). Cette transformation utilise les RH2 (coenzymes

réduits) et l’ATP produits par la phase photochimique (voir 4.B/). Cette phase aboutit à la fabrication de matière organique (par

production de glucides).

Le cycle stromatique de réduction photosynthétique (ou cycle de Calvin) débute par la fixation de CO2 par le ribulose1-5

bisphosphate (C5P2) (accepteur de CO2). Les réactions ultérieures transforment le C5P2 : formation de (PGA : phosphoglycérate)

et de (C3P ; triose phosphate).

Une partie des trioses phosphates formés sert à la régénération de l’accepteur initial de CO2 : C5P2 en consommant de l’ATP.

L’autre partie des trioses phosphates sert à la synthèse de glucides.


6 / le transport et le stockage des produits de la photosynthèse

Problème : Que deviennent les produits réduits de la photosynthèse ?

Piste d’exploitation p22 Doc1

TP – Recherche des formes de stockage des molécules réduites (Sève élaborée du sirop d'érable, Amyloplastes dans le parenchyme de réserve de pomme de terre...)

Bilan :

Les glucides produits par le cycle de réduction stomatique du carbone vont être progressivement transformé en différentes

molécules organiques (acides aminés permettant la synthèse de protéine, lipides…).

Une partie des glucides produits est utilisée par les cellules pour assurer son métabolisme (activité moléculaire de la cellule

permettant son fonctionnement)

Une autre partie est transportée par la sève élaborée et stockée dans des organes de réserves (Tubercule, graine...) sous forme

d’amidon (polymère de glucose) ou d'autres molécules complexes (lipide ou protéines).

7 / schéma bilan des phases photochimiques et non photochimiques de la photosynthèse

Phase photochimique : Utilise la lumière et H2O pour produire grâce à la chlorophylle des thylacoïdes de l'ATP et des RH2. =

Transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique (utilisable par la cellule).

Phase non photochimique : Utilise l'ATP et le RH2 et le CO2 pour produire dans le stroma des chloroplastes des molécules

organiques (réduites).


CHAPITRE II - IMPORTANCE DE L’ATP LE MÉTABOLISME CELLULAIRE :

UTILISATION ET RÉGÉNÉRATION DE L’ATP

1 / le rôle de l’atp dans les mouvements des cellules

Pb : D'où provient l'énergie permettant un mouvement cellulaire ?

TP Contraction du muscle du lapin et mouvement des cellules musculaires

Bilan : Un muscle est un tissu contractile (contraction / relâchement). Il est formé d'une juxtaposition de faisceaux musculaires.

Chaque faisceau est lui même formé cellules musculaires longiformes striées. On les appelle les fibres musculaires striées. Enfin

chaque fibre musculaire est elle même formé d'un assemblage parallèle de myofilaments (longues protéines) de deux type :

myofilament d'actine et myofilament de myosine.

La contraction et le relâchement du muscle sont causés à l'échelle moléculaire par une contraction et un relâchement du couple

myosine / actine.

Livre page 35

La contraction des fibres musculaires nécessite un apport en ATP. L'hydrolyse de l'ATP en ADP + P libére de l'énergie utilisable

par la cellule. Cette observation réalisée sur les cellules musculaires est extrapolable à tout travail cellulaire:

Activité cellulaire = Besoin en ATP


2 / la régénération de l’atp

Exercice : Doc2 p36 / Quelle information apporte l’analyse du doc2 ?

Problème : Comment une cellule hétérotrophe (qui ne peut donc pas réaliser la phase photochimique) va-t-elle régénérer

l’ATP ?

Hypothèse : Les molécules organiques tels que le glucose contiennent de l’énergie chimique. Leur dégradation (oxydation)

peut libérer de l’énergie qui sera utilisée par les cellules pour régénérer l’ATP.

A / La régénération de l’ATP en présence d’oxygène dans mitochondrie : régénération aérobie

TP : Respiration dans les mitochondries de la carotte

Bilan : En présence d’oxygène, les cellules peuvent régénérer (synthétiser) de l’ATP grâce à l'oxydation du glucose. Cette

oxydation se déroule dans deux lieu différents : le cytoplasme, puis la mitochondrie.

1ère partie dans le cytoplasme de la cellule : - La glycolyse et la production de

pyruvate

Bilan : La première étape de la dégradation du glucose se déroule dans le

hyaloplasme: c’est la glycolyse ou oxydation du glucose en pyruvate.

Elle s’accompagne de la production de composés réduits R'H2 (proches des

composés RH2 fabriqués au cours de la photosynthèse) et permet la synthèse de 2

molécules d’ATP par molécule de glucose oxydé.

C6H12O6 + 2 R' 2 CH3COCOOH + 2 R'H2

2ième partie dans les mitochondries La dégradation aérobie du pyruvate

Bilan : Le pyruvate pénètre dans les mitochondries. Dans la matrice des

mitochondries, le pyruvate subit une décarboxylation oxydative (libération du

CO2). Cette décarboxylation produit des composés réduits R'H2 et un peu d'ATP.

2 CH3COCOOH + 6 H2O + 10 R' 6 CO2 + 10 R'H2

Enfin, les molécules réduites R'H2 sont oxydées à la surface des crêtes

mitochondriales. Cette oxydation est couplée à la réduction de l'O2 en H2O et au

passage des H+ dans l'espace intermembranaire.

Le gradient de H+, en passant à travers les protéines ATP synthase ou synthétase,

va régénérer l'ATP. Cette étape est très fortement productrice d'ATP.

(10+2) R'H2 + 6 O2 12 R' + 6 H2O+ 6 H2O

BILAN global : C6H12O6+ 6 O2 6 H2O + 6 CO2 + 36 ATP

Document : Schéma légendé de la mitochondrie


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