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LECONS:Chloroplasteetmitochondrie

Remarques:

Danslesdeuxplansproposs,ilfaudraitconstruireunschmabilanglobalcommeceluiralissamedi.

LundentrevousproposeunplanquireprendleI/dupremierplanproposicisuividuI/etduII/dusecond,cequi,monavis,fonctionnebiengalement.

Autresleonsproches Autotrophieethtrotrophiel'chelledelacellule2nde Respiration,fermentationetproductiond'ATPTaleSsp CompartimentationcellulaireetmtabolismechezlesvgtauxTSSpcialit

Lesouvragesutilisables

ARTICLESSCIENTIFIQUESPOURLASCIENCE:

Lintgraledesarticles19962002(CDROM)Lintgraledesdossiers(32dossiers):TouslesarticlesdesHorssriesdePourlascience(CDROM)EncyclopaediaUniversalis2008(CDv13)

OUVRAGESGENERAUXCAMPBELL:Biologie.(Pearsoneducation)7me2007RAVENETal:Biologie.2007(DeBoeck)

BIOLOGIECELLULAIREETMOLECULAIREBIOCHIMIEMICROBIOLOGIE- ALBERTS et al : Lessentiel de la biologie cellulaire. 2me dition, 2005 (Mdecine sciences,

Flammarion)- LODISHetal.:Biologiemolculairedelacellule.1997,2005(DeBoeck)- ROLAND,SZLLSIetCALLEN:Atlasdebiologiecellulaire.2005(Dunod)- STRYER:Biochimie.1985,5medition2003(Flammarion)

BIOLOGIEETPHYSIOLOGIEVEGETALEABOTANIQUE- ENCYCLOPEDIAUNIVERSALIS:Dictionnairedelabotanique.1999(AlbinMichel)- PRAT:Exprimentationenphysiologievgtale.1994,2007(Hermann)- RAVEN,EVERTetEICHHORN:Biologievgtale.2000,2007(DeBoeck)- ROBERTROLAND:BiologievgtaleTome1:Organisationcellulaire.1998(Doin)- ROLANDROLAND:AtlasdebiologievgtaleOrganisationdesplantesfleurs.5medition.1999

et2004(Dunod)BPHYSIOLOGIEVEGETALE- TAIZandZEIGER:PlantPhysiology.1998et2002(3medition)(Sinauer)

Logicielspdagogiques

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Replacerlasquencedanslaprogressionannuelle

Cette leon, en TS spcialit, appartient la partie intitule Diversit et complmentarit desmtabolismes. On envisage tout dabord le cycle du carbone dans un premier chapitre ainsi que lasynthse de matire organique mais lchelle de la plante. On montre galement que dans uncosystme,lesrelationstrophiquesstablissententrelesproducteursprimairesautotrophesetlesdiversproducteurssecondaireshtrotrophes.Leslmentsessentielslasynthsedematireorganiqueparlesvgtauxchlorophylliens:lumire,chlorophyllesontconnusainsiqueleschangesgazeux(consommationdeCO2etproductiondO2).Ilresteenvisagerlerledeschloroplastesdanslasynthsedematireorganiqueetledroulementdecettesynthseauseindelorganite.Demme,toutecellule,autotropheouhtrotropheconsommedelamatireorganiqueetrgnredelATPncessairedenombreuxtravauxcellulaires.

Lesacquis

Enseconde:Autotrophieethtrotrophie

Danslesprogrammes

Autotrophie et htrotrophie ont t identifies en classe de seconde comme deux types majeurs demtabolismeschezlestresvivants.

Cette partie du programme de spcialit de la classe de terminale S donne loccasion dtudier lemtabolisme lchellede lorganismeetde la cellule.Elle conduitunemeilleurecomprhensiondesphnomnesloriginedelasynthsedesconstituantsmolculairesdescellules.Laphasephotochimiquedelaphotosynthseetlarespirationmitochondrialesontdesprocessuscontribuantaurenouvellementdemolcules comme lATP utilises lors des synthses et activits cellulaires (transports, mouvements).Ltude de ces fonctions donne aussi loccasion de complter la construction du bilan structural etfonctionnel de la cellule en tenant compte des acquis des annes prcdentes, et daborder lorigined'organitestelsquemitochondriesetchloroplastes.

Danslescomplmentsdeprogrammes

On se limite comme le programme lindique la photoautotrophie pour le carbone. Lamise en vidence de production dematire organique, de dioxygne et les conditions gnrales de cette production (CO2, lumire, pigments) peut tremenegrcedesexprimentations classiques. Lancessitdunapprovisionnementencarboneconduiten rechercher la sourcedansleCO2atmosphrique,etdonclobservationdeschangesetdesstructuresmisesenjeu.Lafeuilleestprsentecommeun lieu de synthse dematire organique (dont le sige est le chloroplaste), en communication avec latmosphre par lesstomates,approvisionneeneauetenselsminrauxparlasvebruteetquipeutventuellementexportersesproductionsparla svelabore. Llveestainsi conduit replacer lactivitphotosynthtiqueduchloroplastedans le cadredunschmagnraldufonctionnementduvgtal.

Les pigments foliaires sont extraits. Leur sparation permet de mettre en vidence leur diversit. On compare le spectredactiondelalumiresurlaphotosynthseetlespectredabsorptiondelalumireparunextraitbrutdepigmentsfoliairespourmettreenvidencelerledecespigments,etamenerlanotiondepigmentsphotosynthtiques

Ltudedesmcanismesbiochimiquesdelaphotosynthseestvolontairementrestreinte.Elleselimitefairecomprendrequelquationbilande laphotosynthse rsulteen ralitdedeuxprocessus complmentaireset simultans. Lexistencede cesdeuxprocessuspeuttremontregrcedesexprimentations rappelant les travauxdeHill.Onse limiteauxexplicationssuivantespourlesdeuxphasesdelaphotosynthse:Laphasephotochimiquecomprendlacapturedesphotons,loxydationdeleauetlaproductiondedioxygne,ainsiquelasynthsedemolculesintervenantensuitedanslemtabolisme:ATPetcoenzymesrduits(RH2).Cetensemblederactionsestprsentglobalementcommeunsystmedoxydorductionquise

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drouleauniveaudes thylacodes o sont localiss lespigmentsphotosynthtiquesetdesprotineset enzymes impliquesdanslesractionsdoxydorduction.

Encequiconcernelaphasenonphotochimique,onselimitedirequelleconsisteenlincorporationduCO2danslamatireorganiquedans lestromaetquecette incorporationsaccompagnedunerductionquiutilise lescoenzymesrduitset lATPproduits par la phase photochimique.On illustre la fabrication dematire organique par la production de glucides. Le cyclestromatiquederductionphotosynthtiqueducarboneselimiteunesymbolisationdelaccepteurdeCO2souslaformeC5P2,etdesractionsultrieuressousuneformesemblable(formationdeC3P).

La respiration au niveau cellulaire est mise en vidence par des expriences classiques, la prsence des mitochondries estremarquedanstouteslescellulesycomprislescellulesphotosynthtiques.Commepourlechloroplaste,onindiquel'isolementpossibledesorganitesetleurindpendancephysiquedanslacellule.Leurrledanslarespirationainsiquel'importancedelaglycolyseinitialedanslecatabolismeglucidiquesonttudisaumoyendedocumentsrapportantdesexpriences.Linterprtation schmatique de lactivit respiratoire en liaison avec le catabolisme des glucides dans le hyaloplasme et lesmitochondriesseferacommedanslecasdelactivitphotosynthtiqueetduchloroplaste,sansaucundveloppementdtaillsur lesmcanismesdutransfertsdesprotonsvers lespaceintermembranaireetdelasynthsedATP,nisur lescomposantesmolculairesdesmembranesdescrtesmitochondriales.Auniveaudesractionsmembranaires,onselimiteraindiquer,paranalogie avec ltude des chloroplastes, que les ractions doxydorduction qui consomment des coenzymes rduitessaccompagnentdetransfertsdlectronsetdunerductionde loxygne,accepteurterminaldeslectronsetprotons.Seulsdes bilans qualitatifs et quantitatifs simplifis mettant en rapport les ractions globales du catabolisme des glucides et laproductiondATPsontexigibles.Onconclutcettepartieensignalantladiversitdesmodesdedgradationdescompossorganiques.Ceciestillustruniquementparlecasdelafermentationalcoolique.Cemcanismepermetlaviedorganismesousimplementdecellulesdansdesconditionsanarobies.L'origine des organites (mitochondries et chloroplastes) peut tre voque mais ne pourra pas faire lobjet de questionslexamen.

Plansproposs

On peut envisager lors de la leon, une progression conforme lordre du programme ou bien uneprogression plus originale, base sur une tude comparative du chloroplaste et de lamitochondrie quiimposedebienmontrersonadaptationparrapportauprogramme. Quelles sont les relations entre ultrastructures du chloroplaste et de la mitochondrie et conversionsnergtiques pour produire de lATP: Conversion de lnergie lumineuse dans le chloroplaste etconversiondelnergiechimiquedanslamitochondrie? Comment ces conversions qui ncessitent des transferts dlectrons et de protons font intervenir lestransporteurs?QuelestledevenirdelATPsynthtis?

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I. Placedanslnergtiquedelacellule

A. Chloroplasteetmitochondrie:deuxorganitescompartimentsB. Bilansnergtiquesdelaphotosynthseetdelarespiration

C. Desmtabolismescomplmentairesdanslecycleducarbone

II. Dessystmesmembranairescomplexes

A. ConversiondelnergielumineuseennergiechimiquedanslamembranedesthylakodesB. Laderniretapedelarespirationdanslescrtesmitochondriale

1. Loriginedestransporteursrduits:deuximetapedelarespirationdanslamatrice2. Laroxydationdescompossrduits

III. LesdevenirsdelATPproduit

A. DanslamitochondrieB. Danslechloroplaste:lecycledeCalvin

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I. ChloroplasteetphotoautrophiepourlecarboneOnamontrquelesvgtauxvertssontlesproducteursprimaires.Ilsfabriquentleurmatireorganiquepartirdecarboneminral (CO2 atmosphrique dans notre exemple) en prsence de lumire: ils sontautotrophes pour lacarboneetralisentlaphotosynthse,dontlquationglobalepeutscrire:

6H2O+6CO2>C6H1206+6O2Laphotosynthseestunprocessusdeconversiondelnergielumineuseennergiechimique.Cetteconversionestralisedansleschloroplastes

Oxydation6H2O+6CO2>C6H1206+6O2

Rduction

A. LastructurefineduchloroplasteEtudedlectronographiesdechloroplastes(MET,MEB)=>Structurecompartimente:diffrentscompartimentsetdiffrentesmembranes

B. Laphotosynthse:unprocessusendeuxtapesDocuments:expriencedeGaffron:QuantitdecarboneincorporparunitdetempslobscuritpuislalumireIncorporationducarbonepourlesdiffrentscompartimentschloroplastiques=>cooprationdesthylakodesetdustroma

Schmasimpledechloroplasteaveclesnomsdesdeuxphaseslajustificationdeleurappellation.

C. Laphasephotochimiquedelaphotosynthse

1. LabsorptiondelalumireparlespigmentschlorophylliensTP:ExtractiondespigmentscfdocLa comparaison des deux spectres permet de montrer que les radiations absorbes sont les radiationsefficacespourlaphotosynthse.Onqualifiecespigmentsdepigmentsphotosynthtiques.(cours)Lespigmentsphotosynthtiquessont localissdans leschloroplastesetplusprcismentdans lesmembranesdesthylacodesdecesorganites.

2. Laconversiondelnergielumineuseennergiechimique

a) ApprocheexprimentaleDans lquation de la photosynthse, leau apparat comme un donneur dlectrons et dhydrogne et le CO2apparat comme un accepteur. En 1937, Hill envisagea lexistence dun intermdiaire acceptant les lectronsprovenantdeleaupourlestransfrerensuiteaudioxydedecarbone.

Laphotosynthsecomporteraitdeuxtapes:

- unetapederductiondutransporteur;- unetapedoxydationdutransporteuretderductiondudioxydedecarbone

Onveutvrifierquelaphasephotochimiquencessitelafoisdelalumireetunaccepteur

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TPcfdoc Danslesthylacodes,sedroulelaphasephotochimiquedanslaquellegrcelacollectedesphotonsparles pigments, un ensemble doxydorductions permet loxydation de leau, la production dO2, decompossintermdiairesRH2etATP=>Commencercomplterunschmadechloroplaste

b) OxydationdeleauetrgnrationdATP

D. LaphasedassimilationducarboneEtudedesrsultatsdesexpriencesdeCalvinetBenson=>Miseenplaceducycle

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II. MitochondrieetATPcellulaire

A. LastructurefinedesmitochondriesSupport:lectronographies(MET,MEB)demitochondries

B. RledesmitochondriesdanslarespirationcellulaireC. Transformationdupyruvateetproductiondecompossrduits

Ladeuximetapesedrouledanslamatricedesmitochondries.Cestunesriededcarboxylationsoxydatives,partirdupyruvate,quisaccompagnedelaproductiondecompossrduitsetdesynthsedATP.

2CH3COCOOH+10R'+6H2O6CO2+10R'H22ADP+2Pi2ATP

D. LutilisationdescompossrduitspourlaproductiondATPLaderniretapesedrouledanslescrtesdelamembraneinternedesmitochondries.Cestloxydationparledioxygne,descompossrduitsproduitsdanslestapesprcdentes.Elleestcouplelaproductiond'uneimportantequantitdATP.

12R'H2+6O212R'+12H2O32ADP+32Pi32ATP

E. LedevenirdelATPproduitExemplepossible:cyclosedeschloroplastes

III. Chloroplasteetmitochondrie:desfonctionscomplmentaires

A. AlchelledelacelluleConstructiondeschmasfonctionnelsmettantenplacelesrelationsfonctionsstructuresauseindunecellule

Toutecellulevivanteest constamment soumiseunbilandentreetde rejetdematire,quaccompagnentdesconversions nergtiques. La cellule eucaryote est forme de compartiments dans lesquels se droulent desractionsmtaboliques particulires, catalyses par des enzymes spcifiques. Lamitochondrie et le chloroplasteproviennentprobablementdebactriesquunecellulehteancestraleauraitadoptescommeendosymbiotes.

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B. AlchelledelindividuLescompossglucidiquesformsparlarductionduCO2sontexportshorsduchloroplasteverslecytoplasmedescelluleschlorophylliennes;ilspeuventtretemporairementstocksdanslechloroplastesousformedamidon.Danslacellulechlorophyllienne,lesproduitsinitiauxdelaphotosynthsepermettentessentiellementlasynthsedesaccharosemaisaussidetouslesautresconstituantschimiquesdestresvivants(glucides,lipides,protines,acidesnucliques)grceunapportdionsminrauxtransportsparlasvebrute.

Conclusion:thorieendosymbiotique

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1SupportspdagogiquesTP

Observationsmicroscopiquesdechloroplastesdlodeavecousansamidon Sparationdespigmentschlorophylliensparchromatographiesurpapier Spectredabsorptiondelachlorophylle ApprocheexprimentaledelaphasephotochimiqueparExao

Supportspapiers Electronographiesdechloroplastesetdemitochondries Oxydationdeleauetproductiondecoenzymesrduitsdanslechloroplaste RgnrationdATP Phasedassimilationducarbone:TravauxdeCalvin ExpriencedeLehninger: UtilisationdescoenzymesrduitsetrgnrationdelATPdanslamitochondrie

TP:Extractiondespigments Obj cognitif: les chloroplastes, organites autotrophes sont caractriss par la prsence de pigmentschlorophylliens obj mthodologique: Comprendre la manipulation, Raliser une manipulation daprs un protocolerespectdestapesduprotocole,utilisationmatrisedumatrielorganisationdelapaillasse

SpectredabsorptiondespigmentsObjcognitif:seulescertaineslongueursdondedelalumireblanchesontabsorbesparunesolutiondechlorophyllebrute.Dispositif pour lobtentiondunspectre

Spectredabsorption(b)dunesolutionde

Spectre dabsorption des pigments brutsdunefeuilleverte

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chlorophyllebrute

TP:

Objcognitif:laphotosynthsesedcomposeendeuxtapesdontlapremireestloxydationdeleauetlarductionduntransporteur.Objmthodologique:Comprendre lamanipulation.Raliserunemanipulationdaprsunprotocoleetutiliser une chanedExAO (respectdes tapesduprotocole, utilisationmatrisedes fonctionnalitsdulogiciel, gestion et organisation du poste de travail). Traiter des donnes sous forme dun graphique.AppliquerunedmarcheexplicativeProductiondedioxygne(UA)parunextraitcellulairelalumireenprsencedunaccepteurdlectrons:leDCIP(Sanslaccepteurdlectronset/ousanslumire,ilnyapasdeproductiondedioxygne)