Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Centres étrangers (Afrique) 2023 (jour 2)

Montrer comment les mitochondries et les chloroplastes contribuent au métabolisme des cellules végétales chlorophylliennes.

Réponse : Introduction Les cellules végétales chlorophylliennes possèdent à la fois des chloroplastes et des mitochondries, comme le montre l'observation au MET d'une cellule foliaire de tabac. Ces deux organites compartimentés sont les sièges de voies métaboliques énergétiques fondamentales : la photosynthèse et la respiration cellulaire. 1. Le chloroplaste, siège de la photosynthèse et de l'autotrophie au carbone - Phase photochimique (dans les thylakoïdes) : En présence de lumière, l'énergie lumineuse captée par les pigments chlorophylliens permet l'oxydation de l'eau ($2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{O_2} + 4\,\mathrm{H^+} + 4\,\mathrm{e^-}$), avec libération de dioxygène. L'expérience de Ruben et Kamen ($\mathrm{H_2^{18}O}$) montre que l'$O_2$ dégagé provient de l'eau. L'expérience de Hill montre que des thylakoïdes isolés éclairés, en présence d'un accepteur d'électrons, dégagent de l'$O_2$. Le flux d'électrons et de protons permet la synthèse de coenzymes réduits ($\mathrm{NADPH, H^+}$) et d'$\mathrm{ATP}$. - Phase chimique / cycle de Calvin (dans le stroma) : L'$\mathrm{ATP}$ et le $\mathrm{NADPH, H^+}$ servent à réduire le $\mathrm{CO_2}$ fixé par la RuBisCO sur le RuBP en trioses phosphates. L'expérience de Calvin au $^{14}\mathrm{CO_2}$ montre que l'APG est le premier composé marqué. Ces trioses phosphates sont les précurseurs du glucose, de l'amidon (visible sous forme de grains dans les chloroplastes) et du saccharose exporté. 2. La mitochondrie, siège de la respiration cellulaire et fournisseur d'ATP - La respiration consomme de l'$O_2$ et rejette du $CO_2$ ; elle est mise en évidence par ExAO à l'obscurité ou avec des mitochondries isolées. - Étapes : 1. Dans le hyaloplasme, la glycolyse dégrade le glucose en pyruvate en produisant un peu d'$\mathrm{ATP}$ et de $\mathrm{NADH, H^+}$. 2. Dans la matrice mitochondriale, le cycle de Krebs achève l'oxydation du pyruvate en $CO_2$, fournissant des composés réduits ($\mathrm{NADH, H^+}$, $\mathrm{FADH_2}$) et de l'$\mathrm{ATP}$. 3. Au niveau de la membrane interne (crêtes), la chaîne respiratoire réoxyde ces coenzymes en réduisant $O_2$ en $H_2O$. Cela alimente l'ATP synthase, qui assure une production massive d'$\mathrm{ATP}$. 3. Complémentarité au sein de la cellule végétale - Le jour : Le chloroplaste produit des glucides et de l'$O_2$. Une partie de ces glucides et de l'$O_2$ alimente les mitochondries, qui respirent en permanence et fournissent l'$\mathrm{ATP}$ nécessaire aux biosynthèses et aux transports actifs. - La nuit : La photosynthèse s'arrête. La mitochondrie assure seule la fourniture d'$\mathrm{ATP}$ à partir des réserves constituées le jour : hydrolyse de l'amidon chloroplastique ou des amyloplastes, et saccharose. Conclusion Chloroplastes et mitochondries coopèrent : le chloroplaste convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique (molécules organiques). La mitochondrie libère cette énergie sous forme d'$\mathrm{ATP}$ utilisable par la cellule, à la lumière comme à l'obscurité.