photosynthèse, photoautotropie

DIVERSITÉ ET COMPLÉMENTARITÉ
DES MÉTABOLISMES (10 semaines)

Chapitre 4 : La photosynthèse rend les végétaux chlorophylliens autotrophes

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I : Approvisionnement en matière première
A : Énergie lumineuse p89
Les végétaux chlorophylliens ont besoin d'énergie lumineuse qu'ils transforment en énergie chimique pour fabriquer leur matière organique nécessaire à leur croissance et leur entretien, et assurer les échanges nécessaires à leur métabolisme. Ces végétaux sont autotrophes : ils ne dépendent pas d'autres êtres vivant car ils se nourrissent de matière minérale. La transformation d'énergie est le rôle de la chlorophylle dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes qui sont alignées sous l'épiderme supérieur translucide des feuilles. L'activité photosynthétique est proportionnelle à l'intensité lumineuse. Cette photosynthèse est le moteur de presque tous les écosystèmes (quelques rares exceptions sont basés sur la chimiosynthèse comme autour des fumeurs noirs).

B : Dioxyde de carbone p90, 91
Le CO2 est la forme minérale du carbone. Chez les végétaux supérieurs, le CO2atm pénètre dans les feuilles par les stomates parsemés dans l'épiderme inférieur des feuilles, leur ostiole s'ouvrant en présence de lumière et d'humidité. Le CO2 traverse le parenchyme lacunaire et atteint les chloroplastes des cellules chlorophylliennes, lieu de la réduction photosynthétique du CO2, donc lieu de synthèse de matière organique. L'O2, déchet de photosynthèse suit le chemin inverse et sort par les ostioles. Le phytoplancton pompe le CO2 sous forme dissoute.

C : Eau et ions minéraux
De l'eau et les éléments minéraux , nitrate et phosphate, qui y sont dissous sont pompés par les racines. Les vaisseaux de sève brute (xylème) les mènent aux feuilles.

Tp4a CT de feuille au microscope stomates, parenchyme chlorophyllien, chloroplastes et grains d'amidon

Tp4b échange de gaz au niveau des stomates
facteurs limitants: lumière, CO2, humidité

II : La photo-autotrophie dans le cycle du carbone :
Les végétaux chlorophylliens réalisent la photosynthèse en présence de lumière et de CO2. Le bilan de ces réactions biochimiques catalysées par des enzymes est : 6CO2+2H2OàC6H12O6+6O2+6H2O
Cette équation bilan résume la succession de 2 phases complémentaires et simultanées.

A : Phase claire
p92, 93 : Elle se déroule en présence d'énergie lumineuse, d'où son nom. Les procaryotes autotrophes comme les cyanobactéries présentent un début de compartimentation, dont des thylakoïdes. Les eucaryotes ont des les thylakoïdes regroupés en grana dans leurs chloroplastes. Dans les membranes des thylakoïdes sont enchâssés les photosystèmes, association de protéines et de pigments photosynthétiques chlorophylliens qui absorbent le bleu et le rouge tout en réfléchissant le vert (d'où la couleur des feuilles).
p94 : La phase photochimique débute par la capture des photons et de l'énergie qu'ils véhiculent par les pigments photosynthétiques. La comparaison du spectre d'absorption de la lumière par les pigments de la plante et du spectre d'action de la lumière sur la photosynthèse montre que les pigments verts chlorophylliens sont photosynthétiques.
p95 : Cette énergie lumineuse est transformée en énergie chimique par une succession d’oxydoréductions accompagné de la décomposition de molécules d’eau aboutissant de rejet d’O2 et accumulation d'H⁺ dans les thylakoïdes. Il se forme ainsi un gradient de pH qui représente une énergie potentielle : le flux de protons ressortant des thylakoïdes au sein des ATPsynthétases donne naissance aux molécules hautement énergiques d'ATP (adénosine triphosphate) à partir d'ADP + Pi (phosphate inorganique). Les H⁺ sortant des ATPases sont récupérés dans le stroma par les coenzyme R+ qui sont alors réduits en RH2. La nécessité de cette présence accepteur de H⁺ et e^- a été démontré par la réaction de Hill.

B : Phase sombre
p96, 97 : Dans le stroma des chloroplastes, les produits de la phase claire sont utilisés lors de la phase non photochimique pour constituer la matière organique. Cette phase se déroule tant qu'il y a des produits en réserve (ATP et RH2) : la fixation de CO2atm se fait sur un accepteur déja présent dans le stroma : ribulose 1-5 biphosphate (=C5P2). Le produit de la fixation correspond à 2 molécules à 3C (phosphoglycérate =PGA) ; leur réduction par RH2 donne 2 trioses phosphate (=C3P). Une partie du C3P construit le glucose, premier produit de photosynthèse. Le reste des C3P sert à régénérer le C5P2 accepteur de CO2 relançant ce cycle (dit de Calvin). Chaque étape consomme de l'énergie fournie par les ATP formés en phase claire.

Tp4c chromatographie des pigments végétaux
Spectrophotomètre, spectre d'absorbtion

TP4d Rôle des chloroplastes
ExAO = dégagement d'O2, expérience d'Engelmann , Réaction de Hill

III : Le devenir des produits de photosynthèse p98, 99
A : dans les feuilles
Les glucoses formés par la réduction du CO2, produits initiaux de la photosynthèse, peuvent être temporairement stockés dans le chloroplaste sous forme de grains d’amidon.
Cette matière organique, en partie utilisée sur place, est majoritairement exporté hors du chloroplaste vers le cytoplasme des cellules chlorophylliennes où ils permettent la synthèse de saccharose et de tous les autres constituants chimiques des êtres vivants : autres glucides, lipides, et même protides, acides nucléiques grâce aux ions minéraux apportés par la sève brute.

B : dans le reste de la plante active
Ces produits de photosynthèse sont acheminés des feuilles vers le reste de la plante par les vaisseaux de sève élaborée (phloème). Les zones non chlorophylliennes d’une plante se comportent comme des parties hétérotrophes d’un être autotrophe.
Toutes les cellules ont des réserves assurant le quotidien : eau, sucres solubles et protides dans les vacuoles ; amidon dans les amyloplastes, lipide directement dans le cytoplasme. Les lieux d’utilisation privilégiés sont les méristèmes (zones de croissance).

C : dans les organes de réserve
L'excédent est stocké dans des organes spécialisés qui mettent amidon ou saccharose à l'abri l'hiver et permettent la repousse au printemps : racines (carotte, betterave), tiges souterraines (tubercules de pomme de terre, rhizomes de muguet), tiges (canne à sucre), tronc (paroi cellulosique et bois), feuilles (oignons de tulipe).
D'autres organes de réserves sont spécialisés pour assurer la reproduction : graines (nourriture de l'embryon) et fruits (attire les transporteurs animaux, fournissant un espace vital et de l'engrais à la graine), les réserves peuvent y être sons forme de gouttelettes lipidiques dans le cytoplasme (arachide, colza, noix, olive), les protéines y sont concentrées.

Schéma général des échanges dans la plante

Exercices p104 à 106