Unité 2
Rôle des pigments chlorophylliens dans la captation de l'énergie lumineuse
1 – Extraction de la chlorophylle brute :
Pour extraire la chlorophylle, on procède à la manipulation suivante :
– On Place dans un mortier des feuilles coupées en petits morceaux avec un peu de sable fin. Ce mélange est broyé à l’aide du pilon, tout en ajoutant progressivement environ 10 mL d’alcool à 90° jusqu’à obtention d’un liquide résiduel de couleur foncée (solution bien concentrée).
– On filtre le contenu du mortier, avec du papier filtre, de façon à obtenir la solution de pigments qui doit être foncée.
– On conserve à l’obscurité dans un bécher la solution obtenue dite « solution brute »
2 – Séparation par chromatographie des pigments chlorophylliens :
– Couper le papier Whatman aux dimensions de l’éprouvette. Attention, veiller à prendre le papier uniquement par les bords. Une fois suspendu, le papier ne doit pas toucher les bords de l’éprouvette.
– Suspendre le papier à chromatographie à l’aide du crochet fixé sur un bouchon, le placer dans l’éprouvette pour repérer le niveau du solvant à mettre (le papier doit tremper d’un demi-cm dans le solvant, faites une marque au feutre sur l’éprouvette) Toujours veiller à prendre le papier uniquement par les bords sans poser vos doigts sur la zone de migration.
– Retirer le papier, verser le solvant dans l’éprouvette jusqu’au niveau repéré et fermer l’éprouvette sans le papier pour éviter l’évaporation.
– Tracer un trait au crayon à 2 cm du bas de la bande de papier pour marquer l’emplacement du dépôt.
– Découper puis écraser un petit morceau de feuille à l’emplacement prévu (La tache de pigments doit être aussi petite et foncée que possible). Répéter l’opération 5 fois au même endroit en changeant de morceau de feuille.
– Suspendre le papier à chromatographie au crochet, le glisser dans l’éprouvette en vérifiant que les dépôts de pigments sont bien situés au-dessus du niveau du solvant et fermer.
– Recouvrir l’éprouvette par le cache noir et laisser migrer le solvant à l’obscurité pendant 25 minutes.
– Laisser sécher à l’air libre.
1 – En exploitant la manipulation, décrire les résultats obtenus et déduire les pigments de la chlorophylle.
1- On observe différentes tâches sur la feuille, qui représentent les différents pigments chlorophylliens constituants la chlorophylle brute. La montée du solvant dans la feuille par capillarité a entraîné les pigments de manière différentielle selon leur affinité envers le solvant. Ils diffèrent par la vitesse de migration.
La chlorophylle est donc constituée de 4 pigments qui sont : la chlorophylle b (vert-jaune), la chlorophylle a (bleu-vert), les xanthophylles ( jaune ) et les carotènes (orange).
3 – Localisation des pigments chlorophylliens :
3 – 1 – Observation microscopique des cellules d’un végétal chlorophyllien
Les photos suivantes montrent des observations des cellules d’un végétal chlorophyllien au microscope photonique à différents grossissements.
L’observation au microscopie photonique montre des organites ovoïdes de couleur verte appelés chloroplastes. C’est au niveau de ces organites où se trouvent les pigments chlorophylliens.
3 – 2 – Structure et ultrastructure du chloroplaste
Le document 1 montre une vue générale d’un chloroplaste en microscopie électronique à transmission, alors que le document 2 représente un schéma d’un chloroplaste..
Document 1
Document 2
1 – En exploitant les documents 1 et 2, décrire les caractéristiques structurales du chloroplaste.
1- Le chloroplaste apparaît entouré d’une enveloppe formée de deux membranes concentriques. A l’intérieur, on distingue des thylakoïdes (ou thylacoïdes) empilés formant des grana et des thylakoïdes intergranaires. On note de plus, dans le stroma qui entoure les thylakoïdes, de l’amidon, des globules lipidiques, des ribosomes et de l’ADN.
C’est au niveau de la membrane des thylakoïdes où se trouvent les pigments chlorophylliens.
4 – Propriétés des pigments chlorophylliens :
- Décomposition de la lumière blanche
On fait passer un faisceau de lumière blanche à travers un prisme et on recueille les radiations visibles de la lumière décomposée sur un écran.
1 – Décrire le résultat obtenu.
1- On observe que la lumière blanche est constituée de diverses radiations visibles qui forment le spectre de la lumière blanche. Ces radiations ont des longueurs d’onde comprises entre 400 nanomètres environ pour le violet et 700nm pour le rouge.
- Spectre d’absorption de la chlorophylle brute
En intercalant la solution de chlorophylle brute entre la source de lumière blanche et le prisme, on recueille les radiations visibles de la lumière décomposée sur un écran, le dispositif expérimental et le résultat obtenu sur les documents suivants :
1 – Décrire le résultat obtenu .
2 – Que peut-on déduire ?
1- On observe que le spectre présente des bandes sombres, avec disparition des radiations rouges et bleues, ce qui signifie que ces radiations ont été absorbées par la chlorophylle.
2 – Le rouge et le bleu sont les principales radiation absorbées par la chlorophylle brute.
Les radiations vertes n’étant pas absorbées, elles sont transmises ce qui explique la couleur verte des organismes chlorophylliens.
- Spectre d’absorption des pigments chlorophylliens
Le document suivant montre le spectre d’absorption des pigments chlorophylliens
1 – Décrire les résultats obtenus.
1- On observe que la chlorophylle a absorbe fortement à 430 nm (bleu) et 660 nm (rouge). La chlorophylle b absorbe fortement à 445 nm (bleu) et 645 nm (rouge). Les carotènes absorbent essentiellement entre 400 et 500 nm.
- Spectre d’action
Pour connaître l’influence des radiations lumineuses sur l’efficacité de la photosynthèse, on propose l’expérience menée par Engelmann.
En 1882, Thomas Engelmann, un botaniste allemand place sous microscope un filament d’une algue verte d’eau douce appelée spirogyre avec des bactéries attirées par des sources de dioxygène dans le milieu (=bactéries aérobies). Il place le filament d’algue parallèlement à la largeur du spectre de lumière blanche, décomposée par un prisme, qui l’éclaire. Le document suivant montre le résultat de cette expérience.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Engelmannscher_Bakterienversuch.svg
1 – En exploitant l’expérience d’Engelmann, déduire l’efficacité des différentes radiations lumineuses sur l’activité photosynthétique.
1- On observe que le nombre de bactéries aérobies est plus important dans les régions illuminées par les radiations bleues et rouges. Or la photosynthèse est une réaction qui libère de l’O2. On en déduit que seules les radiations bleues et rouges sont efficaces pour la photosynthèse. Les radiations vertes sont en revanche inefficaces.
Le document suivant montre le spectre d’absorption et le spectre d’action photosynthétique d’un végétal.
1 – En exploitant le document, Comparer les spectres d’absorption et d’action photosynthétique de ce végétal. Que peut-on déduire.
1- On observe que les deux spectres se superposent presque. Cela montre donc que généralement les radiations lumineuses absorbées par les pigments chlorophylliens sont bien celles qui sont efficaces pour la photosynthèse.
5 – Excitation lumineuse de la chlorophylle :
On cherche à comprendre comment l’énergie lumineuse et captée et convertie en énergie chimique. On éclaire fortement une solution de chlorophylle brute, le document suivant montre le résultat obtenu.
1 – En exploitant le document, décrire le résultat obtenu.
1- On observe l’émission une couleur rouge sombre (fluorescence) du côté de la solution de chlorophylle brute.
Pour expliquer ce phénomène, on propose le document suivant, qui montre l’action d’un photon sur un électron d’un atome.
1 – En exploitant le document, expliquer l’émission de la lumière rouge lors de l’éclairement de la chlorophylle brute.
1- Lorsque les photons excitent certains électrons des atomes qui composent la chlorophylle, ils gagnent de l’énergie et passent sur une orbitale plus externe. Cet état est très instable ; les électrons ont emmagasiné une énergie potentielle et ont tendance à revenir sur l’orbitale d’origine en libérant cette énergie sous différentes formes comme la lumière rouge (fluorescence).
Lorsqu’on éclaire la solution de chlorophylle brute, avec ajout d’une solution d’accepteur d’électrons, on obtient le résultat indiqué sur le document suivant:
1 – En exploitant le document, décrire et interpréter le résultat obtenu.
1- On observe que la solution de chlorophylle brute reste verte avec l’absence du phénomène de fluorescence.
Les électrons des atomes excités ne sont pas revenus à leur niveau d’énergie initiale et il n’y a pas eu restitution de cette énergie sous forme de lumière rouge, car ces électrons ont été transmis vers l’accepteur d’électron présent dans la solution.
L’absorption de l’énergie lumineuse par la chlorophylle apparaît comme une excitation des électrons puis leur transfert vers un accepteur d’électrons.