Niveau : Moyen / Difficile — Durée estimée : 65 min — 10 exercices avec corrections détaillées
Rappel des notions clés
La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes. Elle comporte deux phases couplées : la phase photochimique (dans les thylakoïdes) qui convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique (ATP et composés réduits NADPH) avec libération de dioxygène, et la phase chimique ou cycle de Calvin (dans le stroma) qui utilise ces produits pour fixer le CO2 et synthétiser des molécules organiques comme le glucose.
La respiration cellulaire permet de récupérer l'énergie des molécules organiques dans les mitochondries. Elle débute par la glycolyse dans le hyaloplasme, suivie par le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale qui oxyde totalement le pyruvate en CO2. Enfin, la chaîne respiratoire située dans la crête mitochondriale consomme du dioxygène pour produire une grande quantité d'ATP par phosphorylation oxydative.
L'ATP est la monnaie énergétique universelle de la cellule. Son hydrolyse en ADP fournit l'énergie nécessaire aux activités cellulaires (synthèses, mouvements, transports actifs).
Équation bilan photosynthèse : 6 CO2 + 6 H2O + Lumière → C6H12O6 + 6 O2
Exercices — Niveau Facile
Exercice 1 : Écris l'équation bilan de la respiration cellulaire pour une molécule de glucose.
Correction :
La respiration est une oxydation complète du glucose en présence d'oxygène.
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Énergie (ATP)
Exercice 2 : Dans quel organite et dans quelle structure précise se déroule la phase photochimique de la photosynthèse ?
Correction :
La phase photochimique se déroule dans le chloroplaste, plus précisément au niveau de la membrane des thylakoïdes qui contient les pigments photosynthétiques (chlorophylles).
Exercice 3 : Quel est le rôle de la chlorophylle lors de la phase claire ?
Correction :
La chlorophylle capte les photons lumineux. Cette énergie excite ses électrons qui sont alors transmis à une chaîne de transporteurs. Elle convertit ainsi l'énergie lumineuse en énergie chimique.
Exercices — Niveau Moyen
Exercice 4 : Explique pourquoi la photosynthèse s'arrête rapidement si on place une plante à l'obscurité, même si on lui fournit du CO2 en abondance.
Correction :
La fixation du CO2 (phase chimique) nécessite de l'ATP et du NADPH. Ces deux molécules sont produites uniquement lors de la phase photochimique, qui elle-même nécessite de la lumière. À l'obscurité, les stocks d'ATP et de NADPH s'épuisent très vite, bloquant ainsi le cycle de Calvin et la synthèse de matière organique.
Exercice 5 : Calcule le nombre de molécules d'ATP produites par la respiration complète d'une molécule de glucose. Détaille les étapes.
Correction :
1. Glycolyse (hyaloplasme) : 2 ATP.
2. Cycle de Krebs (matrice) : 2 ATP.
3. Chaîne respiratoire (crêtes) : environ 28 à 32 ATP selon les navettes utilisées.
Le bilan total généralement admis est d'environ 32 à 36 ATP par molécule de glucose.
Exercice 6 : Compare le bilan énergétique (ATP) de la respiration et de la fermentation lactique.
Correction :
La respiration permet une oxydation complète et produit environ 32-36 ATP. La fermentation est une oxydation incomplète qui ne produit que 2 ATP (lors de la glycolyse). La respiration est donc beaucoup plus efficace pour extraire l'énergie du glucose.
Exercices — Niveau Difficile
Exercice 7 : On utilise de l'eau marquée à l'oxygène 18 (H2O*) pour arroser une plante. Où retrouvera-t-on l'oxygène marqué après quelques heures de photosynthèse ? Justifie.
Correction :
On retrouvera l'oxygène marqué dans le dioxygène (O2*) rejeté. En effet, lors de la phase photochimique, il se produit une photolyse de l'eau : 2 H2O → 4 H+ + 4 e- + O2. C'est l'eau qui est la source de l'oxygène gazeux produit, et non le CO2.
Exercice 8 : Décris le mécanisme de couplage entre la chaîne respiratoire et la synthèse d'ATP dans la mitochondrie.
Correction :
Le transfert d'électrons dans la chaîne respiratoire permet de pomper des protons (H+) vers l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique. Ces protons ne peuvent revenir dans la matrice qu'en passant par une enzyme : l'ATP synthase. Ce flux de protons fournit l'énergie nécessaire à cette enzyme pour phosphoryler l'ADP en ATP. C'est la phosphorylation oxydative.
Exercice 9 : Pourquoi une cellule musculaire produit-elle de l'acide lactique lors d'un effort intense ?
Correction :
Lors d'un effort intense, l'apport en dioxygène peut devenir insuffisant pour la respiration. La cellule utilise alors la fermentation lactique pour régénérer ses transporteurs de protons (NAD+) nécessaires à la poursuite de la glycolyse. Cela permet de continuer à produire un peu d'ATP (2 par glucose) pour maintenir l'effort malgré le manque d'O2.
Exercice 10 : On bloque le cycle de Calvin avec un inhibiteur chimique. Quel sera l'effet immédiat sur la consommation de dioxygène de la cellule à la lumière ?
Correction :
Attention piège : le cycle de Calvin ne consomme pas d'O2, il fixe le CO2. Cependant, s'il est bloqué, l'ATP et le NADPH ne sont plus consommés et ne sont donc plus régénérés en ADP et NADP+. Or, la phase photochimique a besoin de ces derniers pour fonctionner. La photosynthèse s'arrête donc, mais la consommation d'O2 (due à la respiration) peut continuer normalement tant qu'il y a des réserves de glucose.
Bilan et conseils
Ce qu'il faut retenir : La photosynthèse stocke l'énergie dans la matière organique (flux de carbone), tandis que la respiration libère cette énergie sous forme d'ATP. Maîtrise bien les lieux (organites) et les molécules intermédiaires (ATP, NADH/NADPH).
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