Comment les cellules végétales produisent-elles leur énergie ?

I- Caractérisation et localisation de la photosynthèse

A- Bilan chimique de la photosynthèse

TP-1 – Bilan chimique de la photosynthèse

La photosynthèse est un ensemble de réactions chimiques que l’on peut résumer par l’équation suivante : 6 CO2 + 6 H2O –> C6H12O6 + 6 O2

La source d’énergie de la photosynthèse est la lumière et la source de carbone est le CO2 . La source de carbone étant minérale, la photosynthèse est un métabolisme autotrophe.

Le CO2 provient de l’atmosphère, et l’O2 est rejeté dans l’atmosphère.
Le glucose formé pourra être stocké sous forme d’amidon et constitue des réserves de matière organique.

Ainsi, si on cherche à mettre en évidence qu’un être vivant réalise la photosynthèse, deux solutions sont possibles :

  • Test à l’eau iodée.
    L’eau iodée (ou Lugol) devient bleue noire en présence d’amidon. Ainsi, si un végétal placé à la lumière colore l’eau iodée, cela signifie qu’il a produit de l’amidon, donc qu’il a produit du glucose, donc qu’il a réalisé la photosynthèse. (Attention, un témoin à l’obscurité qui ne colore pas l’eau iodée est nécessaire pour conclure.)

  • Etude des échanges gazeux, par exemple par un dispositif EXAO.
    On mesure alors la quantité de dioxygène et de dioxyde de carbone dans une cuve contenant des végétaux éclairés. On doit voir une augmentation de la quantité de dioxygène (traduisant une production) et une diminution de la quantité de dioxyde de carbone (traduisant une utilisation) (Attention, un témoin à l’obscurité qui ne réalise pas ces échanges gazeux est nécessaire pour conclure.)

B- Localisation de la photosynthèse

Où se déroule la photosynthèse ?

TP 2 – Localisation de la photosynthèse

La recherche d’amidon dans des feuilles d’élodées par test à l’eau iodée montre que la photosynthèse à lieu en majeure partie dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes des feuilles.

Les cellules chlorophylliennes sont situées dans le parenchyme palissadique (et dans une moindre mesure du parenchyme lacunaire)

Rappels sur la structure de la feuille

Le chloroplaste est un organite cellulaire spécialisé dans la réalisation de la photosynthèse : en effet, les chloroplastes contiennent des pigments photosynthétiques (molécules capables de capter de l’énergie lumineuse).

Les pigments photosynthétiques sont contenus dans la membrane des thylakoïdes (sorte de « sacs » aplatis contenus dans le chloroplaste)

C- Rôles des pigments

Comment les pigments des chloroplastes permettent-ils la photosynthèse ?

TP 3 – Les pigments photosynthétiques

La membrane des thylakoïdes des chloroplastes contient des pigments photosynthétiques dans des photosystèmes :

  • Les chlorophylles a et b, qui absorbent la lumière dans des longueurs d’ondes correspondant au rouge et au bleu
  • Les caroténoïdes, qui absorbent dans le bleu, le vert et le rouge.

Les longueurs d’ondes absorbées par les pigments correspondent aux longueurs d’ondes auxquelles la photosynthèse est la plus efficace. Cela permet de montrer que ce sont les pigments qui récupèrent l’énergie lumineuse indispensable aux réactions photosynthétiques.

En effet, lors de la phase photochimique, les pigments des photosystèmes absorbent certaines longueur d’ondes, et passent alors dans un état d’énergie haut (on dit qu’ils sont excités).
Les pigments se désexcitent en transmettant le surplus d’énergie aux pigments adjacents. Ce transfert d’énergie lumineuse se poursuit jusqu’à ce que l’énergie arrive à un pigment particulier : la chlorophylle a dite « de cœur », qui se situe au centre du photosystème.
Cette chlorophylle de cœur à la particularité de se désexciter en relâchant un électron dans la membrane du thylakoïde.

Ainsi, la chlorophylle de cœur transforme l’énergie lumineuse en énergie chimique.

II- La photosynthèse : Un métabolisme en 2 phases

A- Déroulement de la phase photo-chimique de la photosynthèse

TP 4. Réaction de Hill

Lors de la phase photochimique de la photosynthèse :

  • 1- Les pigments du photosystème absorbent l’énergie lumineuse et la transfèrent jusqu’à un pigment particulier : la chlorophylle de cœur qui passe alors à l’état excité.
  • 2- La chlorophylle de cœur se désexcite en cédant des électrons.
  • 3- Ces électrons sont transférés par des molécules de la chaîne de transport d’électrons situées dans la membrane des thylakoïdes.
  • 4- Les électrons entrent dans une réaction de réduction de composés R (= accepteur d’électron = NADP) qui forment du RH2 (= Pouvoir réducteur = NADPH,H+ )
  • 5- La chlorophylle récupère ses électrons par la réaction d’oxydation de l’eau qui produit de l’O2

Ces réactions entraînent des migrations de protons du stroma vers le lumen.

  • 6- Ces protons sont ensuite utilisés par l’ATP synthase, une molécule qui utilise la force proton-motrice pour synthétiser de l’ATP : la molécule énergétique utilisable par les cellules.

Au final, il y a transfert d’électrons entre :

  • L’oxydation de l’eau en dioxygène : 2 H2O à O2 + 4e– + 4 H+
  • La réduction de R en RH2 : 2 R + 4 e– + 4 H+ à 2 RH2

Ainsi qu’une transformation d’énergie lumineuse en énergie chimique (formation d’ATP)

B- La phase chimique : Incorporation du CO2

TD.5 Expérience de Calvin

Lors de la phase chimique de la photosynthèse, qui a lieu dans le stroma des chloroplastes, le CO2 est incorporé dans les glucides par un ensemble de réactions chimiques successives appelées le cycle de Calvin.

Le CO2 est d’abord incorporé à une molécule de Ribulose biphosphate (RuBP) en C5, qui se scinde alors en 2 APG (sucres en C3) qui seront alors réduit en 2 trioses phosphates. Cette réduction fait intervenir le RH2 produit lors de la phase photochimique.

Les trioses phosphates donneront alors des glucides en C6 (glucose par exemple) et régénéreront le RubP, permettant au cycle de continuer.

BILAN : Schéma des phases de la photosynthèse à l’échelle du chloroplaste