Donnerstag, 3. März 2016



 La nature nous donne-t-elle les réponses?



Bienvenue sur notre site web,

pour notre TPE nous envisageons de faire l'exposé de l'une des innovations majeures du XXI siècle. Il s'agit de la reproduction artificielle de la photosynthèse qui nous permettrait de produire de l'énergie ou de l'hydrogène sans accélérer le réchauffement climatique (bilan de dioxyde de carbone nul) qui est un des enjeux majeurs de notre époque. Ainsi on pourrait assurer le bien-être des générations futures et donc faire un grand pas en avant sous l'aspect de la durabilité.

On va donc chercher à répondre à la question comment et dans quel but l'homme reproduit la photosynthèse.

Pour répondre à cette problématique nous allons suivre le plan suivant:


 I. La Photosynthèse

1)-Apercu de la photosynthèse

2) L'ATP
a)- Le ATP: Adénosine triphosphate
b)- Le mécanisme d’hydrolyse du ATP

2)- La phase photochimique (photophosphorylation, oxydation d’eau…)

3)- La phase non photochimique (cycle de calvin,...)



II. Réproduction de la photosynthèse

1)-Comment peut-on reproduire la photosynthèse
     a)-Fonctionnement de la photosynthèse
     b)-Fonctionnement de la reproduction (Photsynthèse Artificielle)

2)- Quelles sont les différentes méthodes
     a)-Méthode JCAP (Joint Center For Artificial Photosynthesis)
     b)-Méthode Toshiba

3)-Le but de la reproduction de la photosynthèse 
     a)Comparaison du rendement photovoltaique/plantes
b)-Production d'énergie à partir d'algues
     c)-Production d'essence
     d)-Production d'hydrogène

Nous terminerons notre étude avec une conclusion détaillée qui prend en compte tous les aspects importants.
     







Sources
Energie Renouvelable












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Comprendre la photosythèse

Futura Sciences

Khan Academy

JCAP

http://www.cours-pharmacie.com/biologie-vegetale/la-photosynthese.html

photosynthese-naturelle-Rappaport.xml


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académie en ligne

Campbell

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Photosynthèse artificielle











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-> feuille artificielle

-> Panasonic

-> JCAP
-> leaf

-> photocatode


Sophie Nitsche Hahn, Jan Philipp Bohl, Intek Hong et Lorenz Kipp  
Französisches Gymnasium Berlin
   




Les sources




Energie Renouvelable












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Comprendre la photosythèse

Futura Sciences

Khan Academy

JCAP

http://www.cours-pharmacie.com/biologie-vegetale/la-photosynthese.html

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Freitag, 27. November 2015

Sophie Nietsche-Hahn, Intek Hong, Jan Philipp Bohl et Lorenz Kipp


TPE
La reproduction artificielle de la photosynthèse

Comment fonctionne la photosynthèse

Plan


I-Apercu de la photosynthèse

II- Les organismes qui interviennent (chloroplastes, chlorophylles, thylakoides, Lumen, Stroma…)

III- Le ATP: Adénosine triphosphate

IV- Le mécanisme d’hydrolyse du ATP

V- La phase photochimique (photophosphorylation, oxydation d’eau…)

VI- La phase non photochimique (cycle de calvin,...)

VII-La photorespiration

VIII- Photosynthèse C-4



 I-Apercu de la photosynthèse


La photosynthèse est une réaction biochimique qui se dèroule chez les plantes, son but est de créer de l’énergie à partir de l’énergie provenant du soleil. Les organismes qui interviennent sont appelés autothropes puisqu’ils fabriquent de la matière organique à partir de matière inorganique. Plus précisément elle permet l’élaboration de matière organique à partir du carbone minéral, de l’eau et de l’énergie lumineuse prélevés dans l’environnement. Ce processus se déroule dans des cellules à pigment chlorophyllien présentes chez les végétaux et chez certaines bactéries. Dans un écosystème les organismes autothropes sont indispensable, ce sont les producteurs primaires qui fournissent toute biomasse. Ce processus indispensable à la vie se déroule principalement aux feuilles d’une plante, qui se constituent de cellules ayant de nombreux chloroplastes qui contiennent un liquide appellé stroma. Dans ce stroma s’empilent des membranes internes appellées thylakoides.

Le bilan de la photosynthèse
 6 CO2 + 6 H2O —› C6H12O6 + 6 O2

En réalité la photosynthèse est beaucoup plus compliquée que la réaction notée ici, elle comporte deux phases principales la phase photochimique et la phase non photochimique et l’intervention de molécules complexes comme l’ATP.


          
III- Le ATP: Adénosine triphosphate

L’ATP est une molécule composée d’un groupement adénosine et trois groupement phosphate. Or les groupements phosphates ne sont pas satisfait et le corps utilise ce fait pour le stockage d’énergie. En créant de l’énergie, par la respiration pour les animaux ou la photosynthèse pour les végétaux chlorophylliens, le corps crée des molécules d’ATP. Quand l’organisme est en manque d’énergie il casse les liens entre les différents groupement phosphate libérant de l’énergie.



IV- Le mécanisme d’hydrolyse du ATP

En présence d’eau (et d’enzymes ATPase) un des groupements phosphate est hydrolysé, c’est à dire qu’il forme un lien avec un hydroxyde cassant le lien avec l’autre groupement phosphate. Les produits de cette réaction sont le ADP (adénine diphosphate) le groupement phosphate lié avec l’hydroxyde et un ion d’hydrogène.


ATP ( A-P-P-P) + H²O -> ADP ( A-P-P) + P-HO + H⁺  
                    Énergie relâché (sous forme de photons)

Les organismes vivants limitent cette réaction avec des enzymes ATPase qui se fixent sur l’ATP et l’entourent de cation. Normalement les anions d’oxygène repulsent l’oxygène de l’eau (l’eau est polaire, chargé négativemement au niveau de l’oxgène). Par contre quand c’est anions sont entouré de cations de l’ATPase l’eau est même attiré.  



                  



  V- La phase photochimique (photophosphorylation, oxydation d’eau…)

    L’essentiel de la phase photochimique de la photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes. Ce sont des organites constituées de thylakoides et remplis  d’un liquide appelé stroma. 851e98b9871a8991e522697cbbc60197dfbc94e3.png

Pour la réalisation de cette réaction est nécessaire l’oxydation (réaction qui retire d’un atome ou d’une molécule des électrons) de l’eau. Comme vous voyez sur le schéma en bas la phase photochimique fait appel à l’eau qui est ensuite décomposé en dihydrogène gazeux et dioxygène nécessaire pour la réaction. De plus quatre éléctrons sont libérés qui jouent aussi un rôle important. Pour que cette décomposition à lieu les molécules de H2O doivent être oxydées.

Le bilan de cette oxydation est le suivant:
2H2O(l)→O2(g)+4H+(aq)+4e-

C’est par ailleurs la raison pour laquelle il est nécessaire d’arroser les plantes. Ensuite une autre réaction se produira, la réduction du carbone qui nécessite des produits de l’oxydation.

Cette réduction peut s’écrire de la manière suivante:
CO2 + 4H+ + 4e- → (CH2O) + H2O

On peut donc parler d’une oxydoréduction.

Les photons en provenance du soleil nécessaire à cette réaction, d’où le nom photochimique, interagissent avec les membranes des thylakoides. Ils sont absorbés par des système très complexes appelés photosystèmes. Une fois excité, l'électron est transporté le long de la membrane. L’énergie libérée par sa désexcitation est utilisée pour pomper des ions hydrogènes du stroma à l’intérieur des thylakoides dans un liquide appelé lumen. L’électron continu son chemin et est intégré, avec un hydrogène, dans une molécule nommée NADP⁺ pour faire du NADPH ,le réducteur nécessaire à des réactions d’oxydations.

NADP⁺ + H + e⁻ → NADPH
Il en résulte deux conséquences:

-Le hydrogéne, en grande concentration dans le lumen, à tendance  à ressortir ( trop grande pression et charge positive qui se repulse). Il peut faire cela que par les ATP synthèse qui utilise l’énergie du hydogène pour transformer un groupement phosphate et un ADP en un ATP, qui stocke cette énergie pour utilisation futur.
ADP (A-P-P) + P → ATP (A-P-P-P)
Energie du H⁺

A(adénine)
P(groupement phosphate)   
-Le photosystème, qui a perdue un électron au NADPH lors de l’absorption du photon, oxyde l’eau. Cette réaction est la seule oxydation de l’eau présent dans la nature.

2H₂O → 4H⁺ + O₂+4e-
Oxydation par le photosystèmefaeb1179a538a3a8106fa5f3b9bd90c92f9834a7.png
Khan Academy

VI- La phase non photochimique (cycle de calvin,...)

La seconde phase de la photosynthèse correspond à la réduction du CO2 présent dans l’air pour pouvoir réaliser la formation de glucides. Cette étape nécessite les composés formés lors de la phase photochimique (ATP et RH2).
Cette phase, qui ne nécessite pas la lumière du soleil, consiste à l’insertion du carbone minéral dans la matière organique de la plante. Ce processus, appellé cycle de Calvin, se déroule dans la Stroma des chloroplastes. Cette étape se compose de plusieurs réactions biochimiques qui nécessitent absolument l’énergie fournie par l’ATP et d’autres molécules résultant de la phase photochimique. On distingue trois composés importants présentés sur le schéma ci-dessous: le ribulose 1,5-bisphosphate, puis le phosphoglycérate et des trioses phosphates.
Au début la molécule CO2 va être fixée sur une molécule organique, le ribulose 1,5-biphosphate (c5). Cette fixation nécessite la présence d’une enzyme dissoute dans le stroma du chloroplaste appellé Rubisco. Cette première étape de la phase non photochimique, catalysée par le Rubisco, permet l’incorporation du CO2 dans deux molécules d’acides phosphoglycériques (C3).
Ensuite ces molécules d’APG vont être réduites dans une autre molécule nommée Triose phosphate. Cette réduction est assurée par un apport de hydrogène et l’énergie des molécules d’ATP. Enfin une partie des molécules de Triose phosphate va servir à régénérer la molécule de ribulose 1,5 biphosphate consommée selon un méchanisme nommé  cycle de calvin. L’autre partie du triose phosphate va servir à produire des molécules organiques comme le glucose. Malheureusement le glucose est un hexose est nécessite donc 6 tours du cycle de Calvin et la consomnation de 18ATP et 12NADPH. Le rendement est donc très faible.



  • phase-sombre-cycle-calvin.png

VII-La photorespiration

On appelle photorespiration l’ensemble des réactions qui se réalisent si la Rubisco fonctionne en oxygénase. Si l’activité oxygénase de la Rubisco s’active (c’est à dire que le Rubisco prend l’oxygène à la place du dioxyde de carbone pour oxyder le ribulose 1,5 biphosphate) de produits différents vont apparaître, un de ces produits et le 2-phosphoglycolate qui ne peut pas être utilisé directement par le cycle de calvin. De nombreuses réactions doivent d’abord avoir lieu, ces réactions sont responsables de la production de glycolate,  de peroxyde d’hydrogène  et de sérine. Ces composés vont être recyclés en libérant du CO2 et de l’ammoniac. De cette manière la photorespiration signifie une perte nette d’incorporation de CO2 ce qui provoque une diminution importante du rendement photosynthétique.
Cette reáction est favorisée si la concentration en dioxygène est élevée.
Le schéma simplifié ci dessous représente la photorespiration qui se réalise dans le chloroplaste, le peroxysome et la mitochondrie des plantes en C3.
2000px-Photorespiration_allgemein.svg.png

VIII-La photosynthèse en C4

Dans le XXème siècle la communauté scientifique à découvert qu’il existait plusieurs sousformes de la photosynthèse. Une d’entre eux, et probablement la plus connue, est la photosynthèse en C4.
En 1970 a été démontré que chez certaines plantes le premier composé organique formé n’est pas le 3-phosphoglycérate (schéma ci dessus) mais une molécule comportant 4 atomes de carbones (c’est la raison pour laquelle cette forme de photosynthèse est appellé C4). Par ailleurs les plantes qui réalisent cette photosynthèse ont aussi une structure interne particulière.


Ces plantes utilisent donc aussi toujours des molécules à trois carbones mais en plus des molécules en quatre carbones.anatomie-feuille-C3-C4.jpg
Chez les plantes en C4 la fixation du dioxyde de carbone à lieu dans les cellules du mésophylle (schéma). Dans cette cellule une acide est formé (c’est le oxaloacétique) par la fixation du CO2 sur une  molécule à trois carbones (le Phosphoénolypryuvate), cet acide est ensuite transformé, sous l’action de NADPH, en malate (un autre acide) qui donnera entre autre du CO2 (et du pryuvate qui sera reutilisé). Dans le cas de cette photosynthèse c’est sous cette forme que le CO2 fixé rejoint le cycle de calvin qui se réalise dans la cellule de gaine. Cette réaction est représenté dans le schéma ci dessous.

photo-C4.jpg
De tel manière les plantes on C4 peuvent enrichir l’environnement de la RUBISCO en CO2. En effet ceci nécessite une consomnation en ATP plus importante, mais cela permet aussi une diminution de l’activité oxygénase de la rubisco et une augmentation de son activité carboxylase, c’est à dire qu’elle incorpore presque uniquement du dioxyde de carbone est beaucoup moins d’oxygène.
Ce fait cause un rendement supérieur à celui de la photosynthèse en C3.



 Sources:
Futura Sciences
Khan Academy 
JCAP
http://www.cours-pharmacie.com/biologie-vegetale/la-photosynthese.html
http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/conference-ScienceEnergie2012-photosynthese-naturelle-Rappaport.xml
http://www.linternaute.com/science/biologie/dossier/photosynthese/1.shtml
kartable
académie en ligne