Thème 2
Partie 1 : de la plante sauvage à la plante domestiquée Chapitre 2 - La plante, productrice de matière organique.
L’énergie peut se définir comme la capacité d’un système à fournir un travail Tout être vivant et notamment toute cellule vivante effectue un travail
(production de chaleur, contraction musculaire, synthèse de molécules, émission de lumière, traitement d’informations, etc…) Les végétaux
chlorophylliens utilisent l’énergie solaire pour construire (synthétiser) leurs propres constituants organiques comme les glucides, lipides, protéines. Ces molécules organiques contiennent de l’énergie chimique potentielle. C’est la photosynthèse.
Contrairement aux animaux, ils sont donc capables de convertir l’énergie solaire en énergie chimique.
Objectif : Découvrir les structures cellulaires et les processus métaboliques (regroupés sous le terme de photosynthèse) qui permettent à la cellule chlorophyllienne de synthétiser sa propre matière organique à partir des constituants minéraux (eau, ions minéraux, CO2) et d’énergie solaire
I. Les structures impliquées dans la photosynthèse A. Les plantes, des organismes autotrophes
Les plantes sont capables de produire toutes leurs molécules organiques (glucides, lipides, protides, acides nucléiques, vitamines…) à partir de molécules minérales (dioxyde de carbone prélevé dans l’air entré par les stomates, eau et ions minéraux prélevés dans le sol et transportés grâce à la sève brute) : ce sont des organismes autotrophes. Cette autotrophie nécessite de l’énergie lumineuse et se fait au cours d’un processus complexe, la photosynthèse.
Le glucose (C6H12O6) étant l’une des premières molécules organiques produites lors de ce processus, l’équation bilan de la photosynthèse peut s’écrire ainsi :
6 CO
2+ 6 H
2O ➝ C
6H
12O
6+ 6 O
2B. Localisation de la photosynthèse.
TP5 : Recherchons le siège de la photosynthèse à l’échelle foliaire et cellulaire.
Les plantes sont constituées de plusieurs types d’organes (racines, tige, feuilles, fleurs, fruits, bulbes, etc…). C’est principalement au niveau des feuilles que s’effectue la photosynthèse.
La feuille est l’organe où s’effectue la photosynthèse. On peut préciser à quel niveau celle-ci se réalise au niveau d’une coupe transversale de feuille
L’activité de synthèse (synthèse d’un glucide complexe, l’amidon (C6H10O5)n est mise en évidence en détectant les zones de la feuille qui synthétisent l’amidon, un des constituants glucidiques de réserve de la plante.
Elle s’effectue dans les cellules vertes dites chlorophylliennes (parenchyme)et au niveau cellulaire, dans les organites chlorophylliens appelés chloroplastes. La chlorophylle est donc un des éléments essentiels de la photosynthèse.
Le chloroplaste, organite clé de la photosynthèse
À retenir : Le chloroplaste est un organite chlorophyllien. C’est la plus petite unité photosynthétique. Il est constitué d’une double membrane délimitant un compartiment interne appelé stroma. Dans le stroma, se trouvent de multiples lamelles empilées appelées thylacoïdes. La chlorophylle se trouve dans les membranes des thylacoïdes.
Le stroma peut parfois contenir des réserves d’amidon.
Au niveau des chloroplastes, la plante réalise la photosynthèse dont l’équation globale est
Le glucose synthétisé peut être utilisé par la cellule ou stocké sous une forme insoluble, l’amidon que l’on a mis en évidence dans les expériences précédentes. Cette réaction globale ne montre pas les étapes intermédiaires complexes de la photosynthèse mais uniquement les éléments initiaux nécessaires (substances minérales + énergie solaire) et un des multiples produits finaux formés (glucose). À noter que la plante dégage un déchet sous forme de gaz, le dioxygène. En mesurant l’intensité du dégagement d’O2, on mesure l’intensité de la photosynthèse.
Mesure de la quantité d’O2 dans un milieu contenant des algues, soumise à des conditions d’éclairement variables
II. Entrer dans le processus de photosynthèse. Les réactions de la photosynthèse au niveau du chloroplaste
A. Le rôle de la chlorophylle 1. Extraction de la chlorophylle
La chlorophylle est un constituant essentiel et nécessaire à la photosynthèse.
L’extraction de la chlorophylle à partir de feuilles est réalisable à l’aide de solvants appropriés. On obtient une solution dite de chlorophylle brute car elle contient un mélange de plusieurs pigments. On y trouve des carotènes, des xanthophylles, la chlorophylle a et b, voire d’autres pigments chez certains végétaux.
Chlorophylle brute = chlorophylle a + chlorophylle b + carotènes + xanthophylles
Chez certaines algues, il existe d’autres pigments mais la chlorophylle est toujours présente.
2. Propriétés physiques de la chlorophylle On appelle spectre d’absorption, les radiations lumineuses absorbées par la chlorophylle. La chlorophylle absorbe surtout les radiations bleues (longueur d’onde 430 nm) et rouges (660 nm). Les autres radiations jaunes et vertes ne sont pas absorbées. Cela explique la couleur verte de la chlorophylle. Les radiations lumineuses correspondent à de l’énergie. La relation suivante donne la correspondance entre photons et énergie : E = hc/ λ où h et c sont des constantes et λ est la longueur d'onde Les photons bleus sont donc plus énergétiques que les photons rouges.
3. Propriétés biologiques de la chlorophylle :
À quoi servent les radiations absorbées par la chlorophylle ?
Expérience d’Engelmann : Une algue filamenteuse, la Spirogyre, pourvue sur toute sa longueur d'un ou plusieurs chloroplastes rubanés et spiralés. Elle est placée entre lame et lamelle dans une goutte d’eau contenant une suspension de bactéries mobiles, Bacterium thermo, doté d'une attirance pour le dioxygène. L’observation se fait sous microscope.
Résultats :
Interprétation : Seules les zones de l’algue éclairées par la lumière blanche ou les radiations bleues ou les radiations rouges ont produit de l’O2 qui attire les bactéries.
Or la production d’O2 par l’algue indique qu’elle photosynthétise (voir équation globale de la photosynthèse) Les radiations bleues et rouges absorbées par la chlorophylle sont donc les radiations efficaces pour la photosynthèse.
Les radiations efficaces sont les radiations absorbées par les pigments. Elles sont utilisées pour la synthèse des substances organiques. Les pigments chlorophylliens se comportent comme des collecteurs de photons. L’énergie des photons absorbés par la chlorophylle est convertie sous forme d’énergie chimique (contenue dans les molécules organiques). On parle de photo-conversion.
B. La photosynthèse, un processus à 2 étapes 1. Les produits formés.
Expérience de Calvin/Benson. 1950.
Des cellules chlorophylliennes sont éclairées et exposées au CO2 dont le C est radioactif selon des temps variant de 2 secondes à quelques minutes. Les cellules sont récupérées, immédiatement tuées et fixées.
Dans un 2ème temps, on sépare par chromatographie bidimensionnelle les composés synthétisés, qui apparaîtront par radiographie, puisqu’ils sont radioactifs.
Expérience avec ou sans CO2
Expérience avec ou sans lumière
Le cycle s’arrête car le Ribulose di phosphate n’est plus régénéré
Cette phase de synthèse de molécules organiques à partir du CO2 nécessite donc quelque chose pour être entretenue.
Expérience historique de Hill (TP3)
On travaille sur des chloroplastes mais le traitement les a détériorés. Les
chloroplastes sont explosés. Les thylacoïdes ne sont plus dans le stroma. La réaction s’effectue sans CO2 Expériences de radio marquage.
Expériences Résultats
En présence de lumière, on cultive des chlorelles en présence d’eau enrichie en 14CO2. (Le 14C est radioactif)
Les algues synthétisent des glucides radioactifs
En présence de lumière, on cultive des chlorelles en présence d’eau additionnée de C18O2.
(L’isotope 18O est radioactif
Le dioxygène dégagé n’est pas radioactif mais la radioactivité se trouve dans les molécules des glucides qui se forment.
En présence de lumière, on cultive des chlorelles en présence d’eau H218O, enrichie en CO 2
Le dioxygène rejeté est radioactif, mais non les molécules de glucides fabriquées.
Résultats :
Le dégagement d’O2 nécessite de la lumière et un oxydant fort.
Interprétation :
Il se produit à la lumière des réactions d’oxydo-réduction entre l’eau et un oxydant fort. L’O2 dégagé provient de la dissociation de l’eau (appelée aussi photolyse de l’eau) qui s’effectue en présence de lumière. Ces réactions d’oxydo-réduction nécessitent un apport extérieur d’énergie fourni par le soleil.
Les 2 phases se réalisent dans 2 régions distinctes du chloroplaste.
Expérience d’Arnon (1958)
Il réalise des expériences sur des fragments de chloroplastes isolés : -une fraction thylacoïde
-une fraction stroma.
Conditions expérimentales Evaluation de la quantité de glucides synthétisées par la mesure de la radioactivité en coups/ min.
Thylacoïdes isolés placés à la lumière en présence de 14CO2
0 Thylacoïdes isolés placés à la lumière puis
placés à l’obscurité en présence de stroma toujours laissé à l’obscurité avec du 14CO2
96000
Stroma laissé à l’obscurité en présence de 14CO2 4000 Stroma laissé à l’obscurité en présence de
14CO2, d’ATP et de composés réduits (NaDPH2)
97000
La synthèse de matière organique se fait dans le stroma.
La capture (ou absorption) d’énergie lumineuse se fait dans les thylacoïdes. C’est à ce niveau que l’énergie solaire est convertie en énergie chimique sous forme de transporteurs réduits et d’ATP. Les produits élaborés au niveau des thylacoïdes sont utilisés dans le stroma pour synthétiser les composants organiques. Ribulose di phosphate
Bilan :
Il y a 2 phases dans la photosynthèse :
- Une phase dite photochimique qui nécessite la lumière et se déroule dans les thylacoïdes.
La chlorophylle est indispensable. Durant cette phase, il y a lors de réactions d’oxydo- réduction, conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique grâce à la chlorophylle. Il se forme des transporteurs réduits appelés NaDPH (présents dans le stroma) et de l’ATP (molécule fournissant l’énergie chimique nécessaire pour la synthèse de molécules. L’eau est oxydée et se dissocie (photolyse) pour former du O2.
- Une phase dite chimique qui s’effectue dans le stroma, utilise le CO2 et les composés (NaDPH et ATP) fabriqués lors de la phase photochimique. C’est durant cette phase que se réalise la synthèse de molécules organiques. Grâce à l’ATP produit par la phase photochimique et les transporteurs réduits, plusieurs molécules sont formées dont par exemple le glucose. Durant cette phase le CO2 est donc réduit en molécules organiques Les 2 phases sont donc couplées.
III. Le devenir des produits de la photosynthèse.
TP N°7 : Recherchons les molécules impliquées dans la croissance et le port d’une plante.
A. La matière organique est exportée et transformée
Les molécules organiques produites par la photosynthèse sont en partie utilisées par les tissus chlorophylliens eux-mêmes. Le reste est exporté sous forme de petites molécules solubles (acides aminés, sucres) vers tous les organes de la plante, et en particulier vers les organes non chlorophylliens (racines, bourgeons, fruits…) via la sève élaborée.
Ces sucres et ces acides aminés sont alors transformés et permettent la production d’une grande diversité de composés organiques, remplissant de nombreuses fonctions au sein de la plante.
B. Des matières organiques assurant la croissance et le port de la plante
Les cellules des plantes possèdent une paroi formée de différents composés organiques assemblés en couches superposées (pectines, hémicelluloses et cellulose). La cellulose est un polymère de glucose synthétisé grâce à une enzyme, la cellulose synthase, chez les jeunes cellules en cours de croissance. Leur paroi étant initialement fine et déformable, ces cellules s’allongent sous l’effet de la pression de turgescence.
Exportée du cytoplasme vers la paroi, la cellulose y devient peu à peu le constituant principal et rend alors la paroi de plus en plus épaisse et rigide, finissant par s’opposer à la poursuite de la croissance en longueur.
Certaines cellules imprègnent leurs parois d’autres composés organiques, les lignines.
Il s’agit de polymères dont les sous-unités sont issues d’une voie métabolique transformant un acide aminé issu de la photosynthèse (la phénylalanine) grâce à différentes enzymes. L’accumulation de lignine dans la paroi des cellules du xylème les imperméabilise, facilitant la circulation de la sève brute.
La lignine est aussi présente au niveau des cellules du sclérenchyme, un tissu de soutien fréquent chez les plantes herbacées. Chez les plantes dites « ligneuses » un xylème secondaire se forme et s’épaissit année après année dans les organes pérennes (tiges, racines). Ce tissu se lignifie et donne un matériau à la fois léger et rigide, le bois, responsable du port dressé qui permet à certains arbres d’atteindre des tailles de plusieurs dizaines de mètres de haut.
C. Le stockage de la matière organique.
TP N°8 : Recherchons comment les plantes assurent le stockage de la matière
organique et quelles fonctions biologiques ces réserves ont-elles puis les autres rôles de produits de la photosynthèse.
En hiver ou lors de longues périodes de sécheresse, certaines plantes perdent leurs feuilles, d’autres perdent leurs parties aériennes, d’autres encore meurent. Des organes sélectionnés au cours de l’évolution permettent de stocker de la matière organique en attendant le retour de conditions plus favorables au développement et à la photosynthèse.
Les plantes herbacées pérennes possèdent des organes souterrains capables d’accumuler des réserves à l’abri des intempéries, comme les bulbes (tulipe, oignon), les tubercules (pomme de terre, carotte), les rhizomes (iris, gingembre). Les réserves dans ces organes sont le plus souvent glucidiques (saccharose de la betterave ou de l’oignon ; amidon stocké dans les amyloplastes de la pomme de terre).
Chez les plantes annuelles, la pérennité est assurée par les graines. Produit de la reproduction sexuée (voir le chapitre 3), la graine contient des matières organiques qui nourriront l’embryon, puis la jeune plantule lors de la germination. La nature des réserves au sein des graines diffère selon les espèces. Il peut s’agir de glucides (blé, riz), de lipides (noix, amande) ou encore de protides (pois, lentille).
Beaucoup de plantes possèdent des fruits charnus comestibles, riches en matières organiques (surtout des glucides). Ces fruits sont consommés par des animaux frugivores (certains oiseaux, reptiles, mammifères) ce qui contribue à la dispersion de leurs graines.
D. La matière organique de la plante et ses interactions avec d’autres espèces Au cours de l’évolution des plantes, différentes innovations permettant de limiter l’impact de la prédation ont été sélectionnées. Ainsi, certaines plantes produisent des tanins. Il s’agit de molécules construites par assemblage de plusieurs phénols (petites molécules cycliques). Dans les cellules, les tanins sont produits par une voie de biosynthèse qui a pour précurseur le glucose, et qui implique de nombreuses enzymes.
En se liant avec les protéines alimentaires ou avec les enzymes digestives du phytophage, les tanins produisent des précipités aux effets toxiques ou répulsifs, qui limitent la pression de prédation. De plus, les plantes agressées par des phytophages produisent davantage de tanins que les plantes indemnes : elles adaptent leur métabolisme en fonction des agressions qu’elles subissent.
La vie fixée pose aussi le problème du rapprochement des gamètes (voir chapitre 3).
De nombreuses fleurs produisent un pollen abondant et un liquide riche en sucres et autres substances nutritives, le nectar. Elles attirent les insectes pollinisateurs en signalant la présence de ces matières comestibles grâce à des molécules organiques volatiles (parfums) et en affichant des couleurs vives. Par exemple, les fleurs roses, rouges ou violettes contiennent des anthocyanes. Il s’agit d’une famille de molécules fabriquées grâce à une voie de biosynthèse proche de celle des tanins, mais aboutissant
à des pigments rouges, bleus ou pourpres, qui sont stockés dans les vacuoles des cellules, et qui rendent les fleurs plus attractives pour les pollinisateurs.
La plante, productrice de matière organique
La plante, productrice de matière organique
