TP-TD1 : Les acteurs de la photosynthèse

Les végétaux chlorophylliens sont des acteurs essentiels des écosystèmes puisqu’ils constituent les premiers maillons des chaines alimentaires. Sans eux, les autres niveaux trophiques n’existeraient plus. S’ils sont à la base des écosystèmes, c’est surtout parce qu’ils sont doués d’autotrophie.

I- Localisation de la photosynthèse

A- A l’échelle de la plante

  1. mise en évidence par autoradiographie

Expérience réalisée en laboratoire : On prend une feuille d’érable que l’on place dans une atmosphère dans laquelle on a mis du dioxyde de carbone radioactif (14CO2).

Résultats : Les zones foncées sur l’image de droite correspondent à la présence de molécules radioactives. Que pouvez vous déduire ?

Mise en évidence de la fixation de CO2 par une feuille, technique d’autoradiographie : la moitié d’une feuille verte, est exposée au 14CO2 (isotope radioactif du carbone) à la lumière pendant 5 minutes. A la fin de l’expérience, on constate que seule la partie de la feuille au contact du 14CO2  et recevant de la lumière présente de substances organiques marquées au  14CO2, décelables par autoradiographie (partie noircie)

  1. Localisation au sein de la feuille. Etudier une coupe de feuille (ou si le temps nous le permet, réaliser la coupe). Grâce au schéma ci dessous que vous reproduirez sur votre feuille, indiquez quels sont les tissus responsables de la photosynthèse et justifiez votre réponse. (aide : coupe de feuille

Protocole : Réaliser des coupes fines sur une lame de microscope dans une goutte d’eau en réalisant une série de coupes par un mouvement de va et vient avec une lame de rasoir et en maintenant la bande avec un doigt.

Astuce : on peut utiliser une autre lame pour maintenir les feuilles et permettre à la lame de rasoir d’aller droit.

=> Monter dans une goutte d’eau entre lame et lamelle et observer au microscope

Photographie d’une coupe de liseron observée au microscope (x 100) et son interprétation

  

3) montrez sur le schéma où peuvent s’effectuer les échanges gazeux au niveau de l’organe feuille, et quelles sont ces échanges ?

B- A l’échelle du tissus

Expérience : on cherche à mettre en évidence l’organite responsable de la photosynthèse.

• Matériel choisi : Feuille d’Elodée du Canada.

• Protocole expérimental : 

– Prélever une petite feuille dans le bourgeon terminal

– La poser à plat entre lame et lamelle dans une goutte d’eau.

    • Observer au microscope optique X 100 puis X 400
    • Réaliser la même observation,avec cette fois ci une goutte d’eau iodée
    • Repérer les chloroplastes qui se déplacent (courant de cyclose).
  1. Dessiner une cellule d’Elodée et repérer les organites clés de la photosynthèse ainsi que l’amidon qu’ils ont synthétisé.
  1. Pourquoi parle-t-on de cellule chlorophyllienne ? 

C- A l’échelle de la cellule

Voici une électronographie de chloroplaste :

Légendez la photographie en fonction du texte ci-dessous :

« Le chloroplaste est un organite clé de la photosynthèse. Il est délimité par une double membrane encore appelée enveloppe chloroplastique. Comme le milieu intérieur du chloroplaste diffère du cytoplasme, on lui attribue le nom de stroma. Dans le stroma baignent de grandes lamelles formant de petits sacs aplatis très importants pour capter l’énergie lumineuse : on les nomme Thylakoïdes. Si ces thylakoides sont  longs on les appelle des thylakoides lamellaires, s’ils ont peu de surface et sont plutôt trapus ils prennent le nom de thylakoides granaires. L’addition de thylakoides granaires forment une masse qualifiée de granum (au pluriel = grana). Les capteurs solaires sont les pigments photosynthétiques enchâssés dans la membrane des thylakoides, ils sont couplés à des complexes protéiques appelés photosystème. Parmi les pigments, on compte 2 types de chlorophylle, de la xantophylle et des caroténoïdes qui permettront de capter l’énergie du photon pour le transmettre au photosystème. […] »

II- Bilan de la photosynthèse

A)  Bilan simple

La synthèse d’amidon [(glucose)n] se réalise, à la lumière, en présence de dioxyde de carbone dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes. la photosynthèse utilise l’eau et le dioxyde de carbone pour la synthèse de matière organique, et libère un déchet, le dioxygène.

1) Donnez l’équation bilan de la photosynthèse

2) listez, d’après vos connaissances, tous les paramètres qui peuvent perturber la photosynthèse.

B) L’apport des expériences historiques

Problème à résoudre : D’après les expériences historiques suivantes, montrez que la photosynthèse se déroule en 2 phases distinctes et donc dans 2 compartiments différents du chloroplaste : 

    • une 1ère phase qui nécessite de la lumière et dont les produits sont utilisés pour une 2ème phase 
    • une 2ème phase qui permettra l’incorporation du CO2  pour fabriquer les molécules organiques.

1) Expérience 1 : expérience de Hill 1937 (d’après http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp44.html)

But : On cherche à montrer que l’oxydation de l’eau, nécessite de la lumière et un accepteur délectrons

La réaction globale de la photosynthèse montre qu’il s’agit d’une réaction d’oxydo-réduction. Est-il possible de dissocier l’incorporation du CO2 et d’hydrogènes (réduction) de la formation de dioxygène (oxydation) ?

Robert Hill réalise son expérience en 1937 sur une suspension de chloroplastes éclairée et a l’idée d’utiliser, en absence de CO2, un réducteur artificiel (ferricyanure de potassium). Cette expérience est reproduite en laboratoire avec du DCPIP. Ce DCPIP ( ou dichloro-phéno-indo-phénol) a la propriété d’être bleu à l’état oxydé et incolore à l’état réduit.

a) Du DCPIP est donc ajouté à la suspension de chloroplastes, la solution bleuit. 

b) Le tube est placé à l’obscurité, la solution reste bleue. 

c) Le tube est placé à la lumière, la solution se décolore.

On peut compléter cette expérience à l’aide d’un oxymètre. Lors d’une séquence obscurité-lumière-obscurité, on enregistre les variations de concentration en dioxygène en présence ou non de DCPIP. Cette expérience est réalisée en absence de toute source de carbone.

Résultats :

En absence de source carbonée, à la lumière, les chloroplastes isolés produisent un dégagement de dioxygène, parallèlement à la réduction du DCPIP.

Vous pouvez écrire maintenant cette réaction : oxydation de l’eau et réduction de R (on notera R/RH2 les formes oxydée et réduite de l’accepteur d’électrons)

2) Expérience  2 : Expérience de Gaffron (1951)

But : On cherche à montrer qu’il existe deux phases

Du dioxyde de carbone radioactif (14CO2) est fourni à une suspension de d’algues unicellulaires fortement éclairée pendant au moins 20 min puis mise à l’obscurité.

On mesure la quantité de molécules organiques élaborées à partir du 14CO2 par les algues au cours de l’expérience.

3) Expérience  3 : Expérience d’Arnon 1958

But : On cherche à montrer que l’incorporation de CO2, ne dépend pas directement de la lumière et comment l’énergie est stockée

Arnon effectue des expériences à partir de fragments de chloroplastes séparés en deux fractions :

– une fraction constituée uniquement de thylakoïdes éclairés ;

– une fraction liquide provenant du stroma, laissée à l’obscurité et additionnée de CO2 marqué au 14C. Les résultats sont consignés dans le tableau suivant :

L’ATP (adénosine triphosphate) est une molécule (nucléotide) formée de l’union de l’adénine (A) avec le ribose (R) auquel est lié un groupement triphosphate :

A-R-Pi~Pi~Pi (Pi=groupement phosphate inorganique).

La rupture par hydrolyse de la liaison entre les 2 phosphates terminaux libère de l’ADP et un Pi et de l’énergie.

Cette réaction est réversible :  ATP + H2O > ADP + Pi + liration dénergie

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