Réaction de Hill, photolyse de l’eau, ATP et NADPH : la première étape de la photosynthèse a lieu dans les thylakoïdes.
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La photosynthèse : la phase photochimique
Module I : Le monde vivantSéquence 5 : La conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimiqueSéance 32 : Mécanisme de la photosynthèse : la phase photochimique
💡 Idée principale : la phase photochimique (phase claire) se déroule dans les thylakoïdes. L’énergie lumineuse captée par la chlorophylle provoque la photolyse de l’eau : l’eau est oxydée et libère le dioxygène. Les électrons arrachés servent à produire du NADPH et de l’ATP, utilisés ensuite dans le stroma.
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Étapes résumées
Des chloroplastes isolés éclairés, avec un accepteur d’électrons, dégagent de l’O₂ sans CO₂ (Hill).
L’O₂ dégagé provient de l’eau, et non du CO₂ (expériences à l’oxygène 18).
Photolyse de l’eau : 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻.
Les électrons passent du PS II au PS I par une chaîne de transporteurs, jusqu’au NADP⁺.
Bilan : la lumière produit O₂, ATP et NADPH dans les thylakoïdes.
Situation problème
Au cours d’un TP au lycée de Kousseri, Ahmed place une branche d’élodée dans de l’eau au soleil : de petites bulles montent sans arrêt. À l’ombre, les bulles se raréfient. Ahmed pense que la plante « coupe » le CO₂ en deux et rejette l’oxygène. Son professeur affirme que cet oxygène vient en réalité de l’eau.
Consignes :
Relève le problème posé.
Quel gaz forme les bulles ? Comment le vérifier ?
Comment savoir si l’oxygène vient du CO₂ ou de l’eau ?
le problèmele dégagement d’O₂l’eau
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Compétence visée
Sensibiliser sur le rôle joué par les végétaux verts à travers la photosynthèse au sein de l’environnement.
Objectifs de la leçon
Interpréter l’expérience de Hill et les expériences à l’oxygène 18.
Décrire la photolyse de l’eau et la production d’ATP et de NADPH.
Localiser la phase photochimique dans le chloroplaste.
L’expérience de Hill
Activité 1 : des chloroplastes isolés à la lumière
Robin Hill (1937) place des chloroplastes isolés dans une solution sans CO2. À t = 2 min, il ajoute un réactif accepteur d’électrons (sels ferriques Fe³⁺) et éclaire jusqu’à t = 6 min.
Document 1 : quantité de dioxygène dans la suspension de chloroplastes.
Dans quelles conditions de l’O₂ est-il dégagé ?
Pourquoi l’O₂ ne peut-il pas venir du CO₂ ici ?
Que devient le réactif de Hill ?
Ce qu’il faut comprendre : le dégagement d’O2 n’a lieu qu’en présence de lumière et d’un accepteur d’électrons. Il n’y a pas de CO2 : l’O2 vient donc de l’eau. Le Fe³⁺ est réduit en Fe²⁺ : l’eau a cédé des électrons. C’est la photolyse de l’eau. Dans la cellule, l’accepteur naturel est le NADP⁺.
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1. L’origine du dioxygène : expérience à l’oxygène 18
Expérience
Molécule marquée
O₂ dégagé
1
H₂18O (eau marquée) + CO₂ normal
18O2 (marqué)
2
H₂O normale + C18O₂ (CO₂ marqué)
O2 normal
Le dioxygène rejeté par la photosynthèse provient exclusivement de l’eau.
Le mécanisme de la phase photochimique
2. Dans la membrane des thylakoïdes
Document 2 : la chaîne photosynthétique (schéma simplifié).
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Les étapes
1
Excitation
Les photons excitent la chlorophylle a des photosystèmes II et I, qui perdent des électrons.
2
Photolyse de l’eau
Le PS II récupère ses électrons en oxydant l’eau : 2 H2O → O2 + 4 H⁺ + 4 e⁻.
3
Transport d’électrons
Les électrons circulent du PS II vers le PS I, puis jusqu’au NADP⁺, réduit en NADPH, H⁺.
4
Synthèse d’ATP
Les H⁺ accumulés dans le thylakoïde ressortent par l’ATP synthase : ADP + Pi → ATP (photophosphorylation).
Bilan de la phase photochimique
3. Équation bilan
2 H2O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi ⟶ O2 + 2 NADPH, H⁺ + 3 ATPL’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique stockée dans l’ATP et le NADPH (pouvoir réducteur).
l’énergie (ATP)dates et duréesles molécules d’ATP
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Ce qui entre, ce qui sort
Consommé
Lumière, eau (H2O), NADP⁺, ADP + Pi.
⟶
Produit
Dioxygène rejeté dans l’air ; ATP et NADPH utilisés dans le stroma.
Localisation
Pigments, photosystèmes, transporteurs et ATP synthase sont dans la membrane des thylakoïdes.
L’ATP et le NADPH sont libérés côté stroma, où ils serviront à fixer le CO2.
Trace écrite : ce que je retiens
À retenir
La phase photochimique se déroule dans les thylakoïdes et nécessite la lumière.
L’énergie lumineuse provoque la photolyse de l’eau : 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻.
Le dioxygène rejeté provient de l’eau (expérience à l’¹⁸O).
Les électrons réduisent le NADP⁺ en NADPH ; le flux de H⁺ permet la synthèse d’ATP.
L’énergie lumineuse est ainsi convertie en énergie chimique (ATP + NADPH).
je retiensla lampe-torcheles usines
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Vocabulaire à connaître
Photolyse de l’eaudécomposition de l’eau sous l’effet de la lumière.Réactif de Hillaccepteur artificiel d’électrons.Photosystèmeensemble de pigments et de protéines qui capte la lumière.NADPHtransporteur d’électrons et d’hydrogène réduit.Photophosphorylationsynthèse d’ATP grâce à l’énergie lumineuse.
Je m’évalue
1. D’où provient l’O₂ rejeté par la photosynthèse ?
2. Où se déroule la phase photochimique ?
3. Quels produits riches en énergie forme-t-elle ?
4. Que montre l’expérience de Hill ?
Réponses : de l’eau · dans les thylakoïdes · ATP et NADPH · O₂ dégagé à la lumière sans CO₂. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.
je réfléchisla lumièrela lampe torche
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Erreurs fréquentes
Dire que l’O₂ vient du CO₂ : il vient de la photolyse de l’eau.
Penser que la phase photochimique fabrique du glucose : elle fabrique de l’ATP et du NADPH.
Confondre NADPH (photosynthèse) et NADH (respiration).
Méthode
Pour exploiter une expérience de marquage isotopique : repère quelle molécule est marquée dans chaque expérience, où l’on retrouve le marqueur, puis conclus sur l’origine de l’atome (« l’oxygène du O₂ provient de… »).
Activité d’intégration
Pour un club scientifique de Limbé, des élèves éclairent une suspension de chloroplastes d’épinard additionnée d’un colorant bleu (DCPIP) qui devient incolore quand il est réduit. À la lumière, le tube se décolore et dégage des bulles ; à l’obscurité, il reste bleu.