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La photosynthèse
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Introduction :
Les végétaux sont les seuls organismes vivants capables de produire leur propre matière organique grâce à la photosynthèse.
Dans ce cours, nous verrons comment est organisée une feuille en nous attachant plus particulièrement aux organites où a lieu la photosynthèse : les chloroplastes situés dans les cellules chlorophylliennes.
Dans une deuxième partie, nous verrons que la photosynthèse découle de réactions d’oxydoréductions et enfin, grâce à l’étude d’expériences scientifiques, nous verrons que la photosynthèse peut se décomposer en deux phases bien distinctes.
Organisation et composants d’une feuille
La feuille végétale
Les feuilles vertes des végétaux sont des organes spécialisés où a lieu la photosynthèse.
Vue en coupe, une feuille végétale est composée :
Vue en coupe d'une feuille
Stomate :
Trou dans l’épiderme inférieur des feuilles végétales qui permet de réguler l’entrée et la sortie de l’air.
Ce qui différencie une cellule chlorophyllienne d’une autre cellule est la présence d’un organite très spécifique : le chloroplaste. Si la feuille est l’organe spécifique de la photosynthèse, c’est plus précisément dans la cellule chlorophyllienne que le processus a lieu, grâce à cet organite.
Organisation d’un chloroplaste
Chloroplaste :
Organite présent dans la cellule chlorophyllienne et siège de la photosynthèse.
Le chloroplaste est délimité par deux membranes : une membrane externe et une membrane interne. Ces membranes délimitent le stroma, un liquide intra-chloroplastique. À l’intérieur du chloroplaste, on trouve des thylakoïdes qui sont des petits sacs aplatis. Lorsque les thylakoïdes sont empilés, on parle de granum.
L’intérieur du thylakoïde est appelé lumen, la membrane du thylakoïde représente donc une barrière entre le stroma et le lumen.
Chloroplaste
Réactions d’oxydoréductions
La photosynthèse est la réaction chimique qui produit des molécules de sucre et du dioxygène à partir de dioxyde de carbone, d’eau et d’énergie lumineuse.
La photosynthèse
En 1941, les scientifiques Ruben et Kamen s’intéressent à l’origine du dioxygène qui émane des végétaux. Ils se posent la question suivante : provient-il du dioxyde de carbone ou de l’eau ?
Pour le déterminer, ils ont travaillé sur une algue unicellulaire : la Chlorelle.
Des algues sont mises en culture dans une eau enrichie en dioxyde de carbone. Selon l’échantillon, l’isotope 18O est présent en différentes proportions :
Proportion des molècules contenant l'isotope 18O
Eau | Dioxyde de carbone | Dioxygène produit | |
Suspension A | 0,85 | 0,20 | 0,84 |
Suspension B | 0,20 | 0,68 | 0,20 |
Dans la suspension A, 84 % des molécules de dioxygène produit sont marquées par l’isotope 18O. Dans la suspension B, 20 % des molécules sont marquées.
Une fois puisées dans l’eau, où vont les molécules de dioxyde de carbone ?
Pour résumer, les atomes de carbone et d’oxygène du dioxyde de carbone, en rouge, vont se retrouver dans les molécules de glucide. Par contre, les atomes d’oxygène de l’eau, en bleu, vont se retrouver dans le dioxygène.
Réactions d’oxydoréductions
Les molécules d’H2O et d’O2 forment un couple d’oxydoréduction ainsi que les molécules de CO2 et de C6H12O6. Lors de l’oxydation de l’eau, 24 électrons et protons sont cédés pour former du dioxygène. Ces protons et électrons sont fixés par du dioxyde de carbone pour former un sucre et de l’eau.
Couple d'oxydoréduction
Les deux phases distinctes de la photosynthèse
La photosynthèse résulte donc de l’oxydation de l’eau et de la réduction du dioxyde de carbone, mais il est possible de dissocier ces deux réactions.
La phase photochimique
L’expérience de Hill, réalisée en 1939 a permis de mettre en évidence les conditions nécessaires à la production de dioxygène dans les thylakoïdes.
Pour son expérience, il isole des thylakoïdes dans une solution aqueuse. Le but est de mesurer la quantité de dioxygène produite à l’obscurité et à la lumière. De plus, à un moment de l’expérience, il injecte dans la solution un accepteur d’électrons appelé réactif de Hill.
Expérience de Hill
Phase photochimique :
Première phase de la photosynthèse qui permet la formation de dioxygène en présence d’eau, d’énergie lumineuse et d’un oxydant.
La phase chimique
Le scientifique Arnon réalise une expérience en 1958 pour essayer de comprendre où et quand se passe chaque réaction de la photosynthèse.
Pour ce faire, il sépare les thylakoïdes du stroma.
Expérience | Conditions expérimentales | Radioactivité des glucides mesurée en coups par min (cps.min-1) |
1 | Thylakoïdes isolés et placés à la lumière en présence de 14CO | Nulle |
2 | Stroma laissé à l’obscurité en présence de 14CO | 4 000 |
3 | Thylakoïdes éclairés puis mis à l’obscurité en présence de stroma toujours resté à l’obscurité et en présence de 14CO | 96 000 |
Phase chimique :
Seconde phase de la photosynthèse qui se déroule donc dans le stroma. Elle nécessite les produits de la phase photochimique pour réduire de dioxyde de carbone en sucres.
Conclusion :
Bilan de la photosynthèse
Le siège de la photosynthèse est dans la feuille végétale et plus spécifiquement dans les cellules chlorophylliennes.
Deux réactions ont alors lieu :