Capes/agreg leçon: la conversion d'énergie par les cellules autotrophes

La conversion d'énergie par les cellules des autotrophes

Acquis de cycle 4 :

La plante est un producteur primaire qui utilise l'eau/les sels minéraux/ le Co2/ la lumière pour produire sa propre matière.

Lycée : grande surface d'échange interface air/sol

Cette production de matière se fait au niveau des chloroplastes (observation microscopique des grains d'amidon dans cette structure)

Autotrophes : qui produit sa propre matière à partir d'éléments minéraux

Photosynthèse ? Recherchez l'éthymologie: et le mot autotrophe ?
= photo : qui utilise la lumière
synthèse de matière à partir de l'énergie lumineuse

– qu'est-ce qui permet la convesrion d'énergie lumineuse dans les chloroplastes ? = la chlorophylle (spectre d'absorption)

Celle-ci est excitée en présence de lumière : perte d'électron – la plante va fabriquer le glucose : C6H12O6

– àpartir du CO2 et H2O et fabriquer du O2 : 6H2O + 6CO2 => C6H12O6 + 6 O2

A partir de quel élement est fabriqué le O2 ?? le CO2 ? Le H2O ??

– expérienceVan Niel bactéries utilisant H2S et fabricant du soufre mais fabrique un glucide

TB! Il y en a d'autres, les connais-tu?

Donc elles fabriquent du soufre à partir de H2S/ par déduction, les plantes fabriquent O2 à partir de H2O
plus tard confirmation avec expérience de l'eau marquée (avec O18)

Ah, oui, tu connais, super! J'utilise plutot celle-là mais les expériences historiques sont très bien.

La molécule d'eau subit donc une oxydation avec libération de H+ et e- 2H2O= O2 + 4 H+ + 2 e-

Cet électron sera utilisé pour remplacé celui perdu par la chlorophylle excitée: Oui

Il est récupéré par un accepteur d'électrons, le R, qui va se transformé en RH2 enrécupérant e- et protons.

Cette phase est appelée phase photochimique car elle fait intervenir l'énergie lumineuse (photon): Oui

Cette réaction va aussi permettre la fabrication d'ATP à partie de ADP.

Cette transformation se fait à l'aide du gradient de protons.

Cette chaine de réaction se fait au niveau des tylakoïdes.

• 2 H2O => 2 H+ + O2 + 2e-: on parle de photolyse de l'eau; l'idée est d'accumuler des protons dans l'espace intra-thylakoïdien
  

• R + 2 H+ + 2e- => RH2: c'est une NADP réductase qui, grâce à la chaine de transporteurs d'è trouve l'énergie pour lier NADP et H+

• ADP + Pi => ATP: cette synthèse peut avoir lieu grâce aux protons accumulés dans l'espace intra-thylakoïdien qui sortent par une ATP synthétase (le gradient de proton est donc une forme d'énergie)
  

Voir la figure 10-16 ci-dessous

Il existe une phase photochimique dans laquelle a été utilisé l'eau.

Comment va être utilisé le CO2 ?

Phase chimique située dans le stroma

utilisation de ATP et RH2 fabriqués pendant la phase photochimique (d'où nécessité de faire cette 2ème phase la journée en présence de lumière)

• –  expérience de Calvin: mise en évidence de l'utilisation du CO2 marqué au carbone 14

• –  chromatographies:mise en évidence de la fabrication des différentes molécules entrant dans le processus de fabrication du glucide.

• APG (3 carbones) puis d'autres oses (je sais plus lesquels!!)

  Il faudra plusieurs tours de cycle de Calvin pour parvenir à la synthèse du glucide.

  Bilan : La plante est un organisme autotrophe, capable de convertir l'énergie lumineuse pour fabriquer sa propre matière à partir d'élements minéraux.
  Cette fabrication se fait en deux temps : la phase photochimique, dans laquelle l'énergie lumineuse sous forme de photons va permettre l'excitation de la chlorophylle présente dans les chloroplastes. Cette énergie va engendrer l'oxydation de la molécule d'eau et la fabrication de O2, libération de protons et d'éléctrons.

• Deux composés importants vont être fabriqués : l'ATP et le RH2 indispensable à la 2ème phase appelée phase chimique.

  Cette phase va permettre l'incorporation du CO2 au cycle dit de Calvin, permettant la production du glucose.

Je reviens sur cette phrase, qui est importante: en quoi la production de glucose est-elle une "conversion d'énergie", ce qui est le coeur du sujet, or tu ne le dis pas.

Il y a conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique: transport d'électron, pouvoir réducteur et ATP;

Puis, l'énergie de ces deux molécules est emmagasinée dans la liaison de deux atomes de Carbone au sein de la la molécule de glucose.

Je crois que sur ce type de sujet, un schéma s'impose pour poser le problème: une cellule avec une boite noire au niveau du chloroplaste; un rayon lumineux; de l'énergie chimique dans le cyctoplasme et cette question : comment l'énergie lumineuse est-elle convertie en énergie chimique exploitable par la cellule?

Ok pour la photosynthèse mais je me demande une chose: la respiration n'est-elle pas dans le sujet ? Si autotrophe signifie autonomie énergétique et matérielle, alors celle-ci est réalisée par le couplage de la photosynthèse le jour et de la respiration la nuit, ce qui est précisé ci-sessous par :"La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent..."

D'où l'importance de bien définir les termes au début de ton exposé; on peut très bien limiter l'étude à la photosynthèse en prétextant le manque de temps pour démontrer ces dexu processus, mais alors il faut bien précisé que l'on est conscient que l'autonomie végétale repose sur l'existence des dexu processus cellulaires puisqu'il existe des chroloplastes amis aussi des mitochondries dans les cellules végétales.

 2e proposition:

Conversion d’énergie par cellules autotrophes, TS

 Introduction

 Rappels: de quels niveaux ?

 Qu’est-ce qu’une cellule autotrophe ?

 Bonne question pour clarifier les choses !

 Les cellules autotrophes sont capables de transformer de la matière minérale (CO2, H2O, sels minéraux) en matière organique.

 Oui, mais à partir de quelle énergie ?

 Et puis que font-elles de cette matière organique ?

 Quels sont les êtres vivants sont capables de faire cette transformation ?

 Les plantes. (Uniquement ?)

 Comment les plantes font-elles pour transformer de la matière minérale en matière organique ?

 Avec la photosynthèse.

 Pour rappel la photosynthèse permet en présence de lumière de transformer l’eau + le CO2 en matière organique et oxygène.

 6H2O+ 6CO2→ C6H2O12 + 6O2 : Attention, cette équation est fausse.

Problématique: Comment les plantes en présence de lumière sont-elles capables de transformer cette matière minérale en matière organique ?

Bien ; mais ne faudrait-il pas inclure la respiration… à réfléchir ; j’ai ma petite idée, développée sur le corrigé précédent.

Nous allons répondre à cette problématique avec le plan suivant

I- Localisation de la photosynthèse

II- Transformation photochimique de l’énergie lumineuse

III-Transformation chimique de quoi ?

Extrait du programme de TS, spécialité SVT:

Thème 1 - La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution de la vie

Énergie et cellule vivante (on se limite aux cellules eucaryotes)

Tout système vivant échange de la matière et de l'énergie avec ce qui l'entoure.

Il est le siège de couplages énergétiques:

• La cellule chlorophyllienne des végétaux verts effectue la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse. Le chloroplaste est l'organite clé de cette fonction. La phase photochimique produit des composés réduits RH2 et de
  l'ATP. La phase chimique produit du glucose à partir de CO2 en utilisant les produits de la phase photochimique.

[Les mécanismes moléculaires de la chaîne photosynthétique et la conversion chimio-osmotique ne sont pas au
programme. Seuls les bilans devront être mémorisés. La réduction dans le chloroplaste d'autres substances
minérales que le CO2 n'est pas au programme.]

• La plupart des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent : à l'aide de dioxygène, elles oxydent la matière organique en matière minérale. La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire.
  L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs (dans la mitochondrie) :
  dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits R'H2. La chaîne respiratoire
  mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction de dioxygène en eau. Ces
  réactions s'accompagnent de la production d'ATP qui permet les activités cellulaires.
  

[Le détail des réactions chimiques, les mécanismes de la chaîne respiratoire et la conversion chimio-osmotique ne
sont pas au programme.]

Tous ces documents sont extraits du livre "Biologie" de Neil Campbell.