Exercices sur la Photosynthèse (Phases Claire et Sombre)

Correction :

L'équation globale de la photosynthèse résume les principaux réactifs consommés et les principaux produits formés.

Les réactifs nécessaires sont le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H2O), et l'énergie lumineuse est indispensable.

Les produits formés sont la matière organique (représentée par le glucose, C6H12O6, un glucide) et le dioxygène (O2).

Il faut équilibrer l'équation pour que le nombre d'atomes de chaque élément soit le même des deux côtés.

H2O + CO2 → C6H12O6 + O2

Pour avoir 6 carbones dans le glucose, il faut 6 CO2.

6 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + O2

Pour avoir 12 hydrogènes dans le glucose, il faut 12 H2O. Cela fait 12 H2O des deux côtés.

12 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + O2

Pour avoir 6 oxygènes dans le glucose (C6H12O6), il faut 6 oxygènes supplémentaires dans les produits, en plus de ceux venant de l'eau.

Le CO2 apporte 6 * 2 = 12 oxygènes. L'eau en apporte 12 * 1 = 12. Total = 24 oxygènes.

Glucose (C6H12O6) a 6 oxygènes. Il faut donc 18 oxygènes pour l'O2 : 18 / 2 = 9 O2.

Vérification : 12 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2

Réactifs : H = 12*2 = 24 ; C = 6 ; O = 12*1 + 6*2 = 12 + 12 = 24

Produits : H = 12 ; C = 6 ; O = 6 + 6*2 = 6 + 12 = 18. Ce n'est pas équilibré.

L'équation classique est :

6 CO2 + 6 H2O (lumière) → C6H12O6 + 6 O2

Vérifions :

Réactifs : C=6, H=12, O=6*2 + 6*1 = 12 + 6 = 18

Produits : C=6, H=12, O=6 + 6*2 = 6 + 12 = 18

C'est bien équilibré. Le glucose n'est qu'une représentation simplifiée de la matière organique formée, car d'autres glucides peuvent être produits.

6 CO2 + 6 H2O (lumière) → C6H12O6 + 6 O2

Correction :

Rôles et produits :

La phase photochimique, aussi appelée phase claire, utilise l'énergie lumineuse.

Ses rôles principaux sont :

1. Conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique : Les pigments photosynthétiques (comme la chlorophylle) absorbent l'énergie lumineuse. Cette énergie est utilisée pour exciter des électrons.
2. Production d'ATP : L'énergie des électrons excités est convertie en énergie chimique sous forme d'ATP (Adénosine TriPhosphate), la "monnaie énergétique" de la cellule. Ce processus est appelé photophosphorylation.
3. Production de pouvoir réducteur : L'énergie lumineuse permet également de réduire le NADP+ en NADPH. Le NADPH est une molécule qui transporte des électrons et des protons (H+) et sera utilisée comme pouvoir réducteur dans la phase sombre.
4. Libération d'oxygène : Pour remplacer les électrons perdus par les pigments photosynthétiques, les molécules d'eau (H2O) sont oxydées (cassées). Ce processus, appelé photolyse de l'eau, libère de l'oxygène (O2) comme sous-produit.

Les principaux produits de la phase claire sont donc : ATP, NADPH et O2.

Lieu de déroulement :

Chez les eucaryotes, la phase photochimique se déroule dans les membranes des thylakoïdes à l'intérieur des chloroplastes.

La phase claire capte l'énergie lumineuse pour produire ATP, NADPH et O2, et se déroule dans les thylakoïdes chloroplastes.

Correction :

Rôle principal :

La phase non photochimique, aussi appelée cycle de Calvin ou phase sombre, utilise l'énergie chimique (ATP) et le pouvoir réducteur (NADPH) produits lors de la phase claire pour fixer le dioxyde de carbone (CO2) de l'atmosphère et le convertir en matière organique, principalement des glucides (comme le glucose).

Réactifs et produits clés :

- Réactifs : CO2, ATP, NADPH.

- Produits : Glucides (ex: trioses phosphates, précurseurs du glucose), ADP, NADP+.

Il est important de noter que l'ADP et le NADP+ régénérés retournent dans la phase claire pour être à nouveau rechargés en énergie et en pouvoir réducteur.

Lieu de déroulement :

Chez les eucaryotes, le cycle de Calvin se déroule dans le stroma du chloroplaste.

La phase sombre fixe le CO2 grâce à l'ATP et au NADPH de la phase claire pour produire des glucides, et se déroule dans le stroma des chloroplastes.

Astuce : Le terme "phase sombre" est un peu trompeur, car cette phase ne nécessite pas l'obscurité. Elle se déroule en même temps que la phase claire, mais elle n'utilise pas directement la lumière. Elle dépend des produits de la phase claire qui, eux, sont produits en présence de lumière.

Correction :

Rôle de l'eau (H2O) :

- Phase Claire : L'eau est le donneur d'électrons et de protons lors de la photolyse de l'eau. Cette réaction libère des électrons qui vont participer à la chaîne de transport d'électrons, des protons (H+) qui contribuent au gradient de protons pour la synthèse d'ATP, et de l'oxygène (O2) qui est libéré dans l'atmosphère.

- Phase Sombre : L'eau n'intervient pas directement comme réactif dans le cycle de Calvin.

Rôle du dioxyde de carbone (CO2) :

- Phase Claire : Le CO2 n'intervient pas directement comme réactif.

- Phase Sombre (Cycle de Calvin) : Le CO2 est le substrat principal de la fixation du carbone. Il est fixé sur une molécule organique (le RuBP) par l'enzyme Rubisco. Ce CO2 sera ensuite réduit grâce à l'ATP et au NADPH pour former des sucres.

L'eau est le donneur d'électrons dans la phase claire, libérant de l'O2. Le CO2 est le substrat de la fixation du carbone dans la phase sombre, permettant la synthèse de sucres.

Correction :

La photosynthèse produit des glucides et de l'oxygène, qui ont des destins différents :

1. Dioxygène (O2) :

- Le principal devenir de l'oxygène produit lors de la phase claire est sa libération dans l'atmosphère. Cet oxygène est essentiel à la respiration de la plupart des organismes vivants, y compris les plantes elles-mêmes.

2. Glucides (ex: Glucose) :

- Les trioses phosphates, produits intermédiaires du cycle de Calvin, peuvent être utilisés de plusieurs manières par la plante :

a) Synthèse de glucose et de saccharose : Une partie des trioses phosphates est utilisée pour régénérer le RuBP (qui consomme de l'ATP et du NADPH). L'excédent est converti en glucose, qui peut ensuite être transformé en saccharose. Le saccharose est la forme sous laquelle les sucres sont transportés dans toute la plante (vers les racines, les fruits, etc.) via le phloème.

b) Synthèse de polysaccharides : Le glucose peut être polymérisé pour former de l'amidon, qui est stocké dans les chloroplastes comme réserve d'énergie à court terme, ou dans d'autres tissus de la plante.

c) Synthèse d'autres molécules organiques : Les intermédiaires du cycle de Calvin, ainsi que le glucose, peuvent servir de précurseurs pour la synthèse d'autres classes de molécules organiques essentielles à la plante :

- Lipides : Acides gras et triglycérides, utilisés pour le stockage d'énergie à long terme (dans les graines par exemple) ou comme composants des membranes cellulaires.

- Protéines : Les acides aminés peuvent être synthétisés à partir des intermédiaires du cycle de Calvin, en utilisant l'azote absorbé par les racines. Ces acides aminés sont ensuite assemblés pour former des protéines.

- Acides nucléiques : Les sucres issus de la photosynthèse sont également nécessaires à la fabrication des nucléotides (composants de l'ADN et de l'ARN).

- Autres composés : Celluloses (pour la paroi cellulaire), lignine, pigments, etc.

La photosynthèse fournit non seulement de l'énergie sous forme de sucres, mais aussi le carbone nécessaire à la synthèse de toutes les autres molécules organiques (lipides, protéines, acides nucléiques, etc.) qui constituent la plante.

Correction :

La phase photochimique utilise deux grands complexes protéiques, les photosystèmes I (PSI) et II (PSII), ainsi qu'une chaîne de transport d'électrons (CTE) située dans la membrane des thylakoïdes.

1. Photosystème II (PSII) :

- L'énergie lumineuse est captée par les pigments du PSII. Cette énergie excite les électrons du centre réactionnel du PSII (P680).

- Pour remplacer ces électrons perdus, le PSII réalise la photolyse de l'eau : H2O → 2e- + 2H+ + 1/2 O2. Les électrons libérés entrent dans le PSII.

- Les électrons excités du PSII sont transférés à une première molécule accepteuse d'électrons, puis entrent dans la chaîne de transport d'électrons.

2. Chaîne de Transport d'Électrons (CTE) :

- Les électrons provenant du PSII transitent le long d'une série de transporteurs d'électrons (cytochromes, plastoquinone, plastocyanine).

- Au cours de ce transfert, les électrons perdent de l'énergie. Cette énergie est utilisée par des complexes de la CTE pour pomper des protons (H+) du stroma vers la lumière des thylakoïdes, créant ainsi un gradient de protons.

3. Photosystème I (PSI) :

- Les électrons, ayant perdu une partie de leur énergie, arrivent au PSI. L'énergie lumineuse capte à nouveau par les pigments du PSI excite les électrons du centre réactionnel du PSI (P700).

- Ces électrons excités à haute énergie sont ensuite transférés à une seconde chaîne de transport d'électrons plus courte.

4. Réduction du NADP+ :

- À la fin de cette seconde chaîne, les électrons à haute énergie sont utilisés pour réduire le NADP+ en NADPH. Cette réaction a lieu dans le stroma, avec l'aide de la protéine ferrédoxine-NADP+ réductase.

Le cheminement des électrons est : H2O → PSII → CTE → PSI → NADP+. L'énergie lumineuse est utilisée pour exciter les électrons à deux reprises (PSII et PSI), et l'énergie libérée lors du passage dans la CTE est utilisée pour pomper des protons, conduisant à la synthèse d'ATP par la même occasion (via l'ATP synthase).

Correction :

Le cycle de Calvin se déroule dans le stroma du chloroplaste et se compose de trois phases majeures :

1. Carboxylation (ou Fixation du carbone) :

- La première étape consiste à fixer le dioxyde de carbone (CO2) de l'atmosphère.

- Une molécule de CO2 se combine avec une molécule à 5 carbones appelée ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP). Cette réaction est catalysée par l'enzyme clé, la Rubisco.

- Cette combinaison forme immédiatement une molécule instable à 6 carbones qui se scinde rapidement en deux molécules à 3 carbones : le 3-phosphoglycérate (3-PGA).

2. Réduction :

- Les deux molécules de 3-PGA produites à l'étape précédente sont ensuite réduites pour former des sucres à 3 carbones.

- La première réaction de réduction utilise l'ATP (produit de la phase claire) pour phosphoryler le 3-PGA, le transformant en 1,3-bisphosphoglycérate.

- Ensuite, le NADPH (produit de la phase claire) réduit le 1,3-bisphosphoglycérate en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P), un triose phosphate. Le NADPH est oxydé en NADP+ et l'ATP est hydrolysé en ADP.

- Le G3P est le produit direct du cycle de Calvin. Pour chaque 3 molécules de CO2 fixées, il y a 6 molécules de G3P produites. Une de ces molécules de G3P quitte le cycle pour être utilisée par la plante.

3. Régénération du RuBP :

- Les 5 autres molécules de G3P produites (qui représentent un total de 15 carbones : 5 x 3C) sont utilisées pour régénérer les 3 molécules de RuBP (à 5 carbones chacune, soit 3 x 5C = 15 carbones) nécessaires pour recommencer le cycle.

- Cette étape de régénération est complexe et consomme également de l'ATP.

En résumé, pour chaque tour complet du cycle qui fixe un CO2, la plante consomme 1 ATP et 1 NADPH lors de la réduction, et 1 ATP lors de la régénération du RuBP. Pour produire une molécule nette de sucre (qui nécessite 3 tours de cycle pour produire une molécule de G3P utilisable), il faut donc 3 CO2, 9 ATP et 6 NADPH.

Le cycle de Calvin débute par la fixation du CO2 sur le RuBP, suivie de la réduction des intermédiaires en sucres grâce à l'ATP et au NADPH, et se termine par la régénération du RuBP grâce à l'ATP.

Correction :

Plusieurs facteurs peuvent limiter ou favoriser la photosynthèse. Voici trois exemples majeurs :

1. Intensité lumineuse :

- Effet : À faible intensité lumineuse, la vitesse de photosynthèse est directement proportionnelle à la lumière disponible. En augmentant la lumière, on augmente l'énergie disponible pour la phase claire, donc la production d'ATP et de NADPH, ce qui accélère la photosynthèse.

- Limitation : Au-delà d'une certaine intensité lumineuse (point de saturation lumineuse), l'augmentation de la lumière n'augmente plus la vitesse de photosynthèse. Une lumière trop intense peut même endommager les pigments photosynthétiques (photoinhibition).

2. Concentration en dioxyde de carbone (CO2) :

- Effet : Le CO2 est le substrat de la phase sombre. À faible concentration, une augmentation du CO2 disponible augmente la vitesse de photosynthèse car il y a plus de molécules pour l'enzyme Rubisco à fixer.

- Limitation : Comme pour la lumière, la concentration en CO2 ne peut pas augmenter indéfiniment la vitesse de photosynthèse. À partir d'un certain seuil, la vitesse est limitée par d'autres facteurs (ex: capacité de Rubisco, disponibilité d'ATP et de NADPH).

3. Température :

- Effet : La photosynthèse fait intervenir de nombreuses réactions enzymatiques (dans les deux phases). Les enzymes ont une température optimale de fonctionnement. En général, la vitesse de photosynthèse augmente avec la température jusqu'à un optimum.

- Limitation : Au-delà de la température optimale, les enzymes commencent à se dénaturer, ce qui entraîne une diminution rapide de la vitesse de photosynthèse. Des températures trop basses ralentissent aussi considérablement les réactions enzymatiques.

D'autres facteurs comme la disponibilité en eau, la concentration en nutriments (magnésium pour la chlorophylle, azote pour les protéines enzymatiques) jouent aussi un rôle crucial.

L'intensité lumineuse, la concentration en CO2 et la température sont des facteurs clés qui influencent la vitesse de photosynthèse, chacun ayant un effet spécifique jusqu'à atteindre un plateau ou un déclin au-delà d'une certaine limite.

Correction :

Pourquoi les plantes font-elles de la respiration ?

Même si les plantes produisent leur propre nourriture grâce à la photosynthèse, elles ont besoin d'énergie pour toutes leurs fonctions vitales : croissance, transport des sèves, synthèse des molécules, maintien des structures cellulaires, etc. Cette énergie est fournie par la respiration cellulaire, qui dégrade les molécules organiques (produites par photosynthèse ou stockées) pour libérer de l'ATP.

Comment sont-ils liés ?

La photosynthèse et la respiration cellulaire sont deux processus complémentaires et interconnectés :

1. Produits de la photosynthèse comme réactifs de la respiration :

- La photosynthèse produit des glucides (glucose) et de l'oxygène (O2).

- Ces produits sont les réactifs principaux de la respiration cellulaire : Glucose + O2 → CO2 + H2O + ATP.

2. Produits de la respiration comme réactifs de la photosynthèse :

- La respiration cellulaire produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O).

- Ces produits sont des réactifs essentiels de la photosynthèse : CO2 + H2O → Glucose + O2 (en présence de lumière).

3. Flux d'énergie et de matière :

- La photosynthèse stocke l'énergie lumineuse sous forme d'énergie chimique dans les liaisons des molécules organiques.

- La respiration cellulaire libère progressivement cette énergie chimique pour la rendre utilisable sous forme d'ATP, nécessaire aux activités cellulaires.

Différences clés :

- Lieu : Photosynthèse dans les chloroplastes ; Respiration dans le cytoplasme et les mitochondries.

- Besoin de lumière : Photosynthèse nécessite de la lumière ; Respiration se déroule en permanence, jour et nuit.

- Consommation/Production de gaz : Photosynthèse consomme CO2 et produit O2 ; Respiration consomme O2 et produit CO2.

En journée, les plantes réalisent les deux processus. La photosynthèse est généralement plus intense que la respiration, ce qui conduit à une consommation nette de CO2 et une production nette d'O2. La nuit, seule la respiration a lieu, consommant O2 et produisant CO2.

La photosynthèse produit la matière organique et l'oxygène utilisés par la respiration, tandis que la respiration produit le CO2 et l'eau utilisés par la photosynthèse. Ces deux processus sont donc essentiels à la survie de la plante et participent aux grands cycles biogéochimiques de la planète.

Correction :

Les plantes vertes et les bactéries sulfureuses dites "pourpres" ou "vertes" réalisent toutes deux une forme de photosynthèse, mais avec des différences notables.

Points communs :

• Utilisation de l'énergie lumineuse : Les deux utilisent l'énergie lumineuse pour produire de l'ATP.
• Pigments : Elles possèdent des pigments capables de capter la lumière, bien que la nature de ces pigments diffère.
• Production de matière organique : Les deux processus aboutissent à la synthèse de matière organique à partir de CO2.

Différences principales :

1. Donneur d'électrons et produit de la phase claire :

• Plantes vertes (et cyanobactéries) : L'eau (H2O) est le donneur d'électrons. La photolyse de l'eau libère de l'oxygène (O2). C'est une photosynthèse oxygénique.

• Bactéries sulfureuses (ex: pourpres) : Le sulfure d'hydrogène (H2S) est le donneur d'électrons. La réaction équivalente à la photolyse de l'eau libère du soufre élémentaire (S) ou des ions sulfate (SO4^2-), mais pas d'oxygène. C'est une photosynthèse anoxygénique.

2. Pigments photosynthétiques :

• Plantes vertes : Utilisation principale de la chlorophylle (type a et b).
• Bactéries sulfureuses : Utilisation de bactériochlorophylles, qui absorbent la lumière dans des longueurs d'onde différentes (souvent plus longues, dans le proche infrarouge) que la chlorophylle.

3. Organites :

• Plantes vertes : La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes.
• Bactéries sulfureuses : Ce sont des procaryotes, elles n'ont pas de chloroplastes. Les pigments sont localisés dans des structures membranaires internes ou dans le cytoplasme.

La principale distinction est le donneur d'électrons : l'eau pour les plantes (produisant O2) et le H2S pour certaines bactéries (produisant S ou SO4^2-, mais pas d'O2). Les pigments et la localisation cellulaire diffèrent également.