Métabolisme cellulaire — Exercices

Photosynthèse, respiration cellulaire, échanges gazeux. Corrigé détaillé en fin de fiche.

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1Réactifs et produits/ 4 pts

Réponds aux questions suivantes en une ou deux phrases complètes.

Quels sont les réactifs (matières premières) et les produits de la photosynthèse ?
Quels sont les réactifs et les produits de la respiration cellulaire ?
Dans quel organite cellulaire se déroule la photosynthèse ? Et la respiration cellulaire ?
Pourquoi dit-on que photosynthèse et respiration cellulaire sont des processus complémentaires ?

2Autotrophes et hétérotrophes/ 3 pts

Classe les organismes suivants en autotrophes (capables de photosynthèse) ou hétérotrophes (incapables de photosynthèse).

Organismes : un chêne, un lion, une algue verte, un champignon, du phytoplancton, un être humain, une cyanobactérie photosynthétique.

Dresse le tableau de classement des 7 organismes.
Quel processus métabolique les autotrophes réalisent-ils, contrairement aux hétérotrophes ?
Quel processus métabolique est commun à l'ensemble de ces organismes ?

3Analyse d'une expérience/ 5 pts

On place une plante verte dans une enceinte hermétique et on mesure les concentrations en $\text{O}_2$ et en $\text{CO}_2$ dans l'air au fil du temps, en deux phases :

Phase 1 (obscurité) : $[\text{O}_2]$ diminue, $[\text{CO}_2]$ augmente.
Phase 2 (lumière vive) : $[\text{O}_2]$ augmente, $[\text{CO}_2]$ diminue.

Quel(s) processus métabolique(s) explique(nt) les variations observées en phase 1 ? Justifie.
Quel(s) processus métabolique(s) explique(nt) les variations observées en phase 2 ? Justifie.
En phase 2, la plante réalise-t-elle encore la respiration cellulaire ? Justifie.
Écris l'équation bilan du processus responsable de la production de $\text{O}_2$ en phase 2.
On répète l'expérience en remplaçant la plante par une souris. Décris l'évolution de $[\text{O}_2]$ et $[\text{CO}_2]$, à la lumière comme à l'obscurité. Explique.

4Bilan d'une cellule végétale/ 4 pts

Une cellule de feuille illuminée réalise simultanément photosynthèse et respiration. Données (en unités arbitraires par heure) :

Consommation de $\text{CO}_2$ par la photosynthèse : 12 unités
Production de $\text{CO}_2$ par la respiration : 4 unités

On admet que chaque processus échange $\text{O}_2$ et $\text{CO}_2$ dans des proportions égales.

Calcule le bilan net d'échange de $\text{CO}_2$ pour cette cellule. La cellule absorbe-t-elle ou libère-t-elle du $\text{CO}_2$ au final ?
Déduis-en le bilan net d'échange de $\text{O}_2$.
Que se passe-t-il si on plonge cette cellule dans l'obscurité totale ? Décris les échanges gazeux (en unités par heure).

Corrigé détaillé

1Réactifs et produits

a) $\text{Photosynthèse}$ $\text{Réactifs : CO}_2 \text{ et H}_2\text{O (+ énergie lumineuse). Produits : glucose (C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\text{) et O}_2\text{.}$

b) $\text{Respiration cellulaire}$ $\text{Réactifs : glucose et O}_2\text{. Produits : CO}_2\text{, H}_2\text{O et énergie (ATP).}$

c) $\text{Localisation}$ $\text{Photosynthèse} \rightarrow \text{chloroplastes.} \quad \text{Respiration cellulaire} \rightarrow \text{mitochondries.}$

d) $\text{Complémentarité}$ $\text{Les produits de la photosynthèse (glucose, O}_2\text{) sont les réactifs de la respiration, et vice-versa : les deux processus bouclent le cycle de la matière.}$

2Autotrophes et hétérotrophes

a) $\text{Classement}$ $\text{Autotrophes : chêne, algue verte, phytoplancton, cyanobactérie.} \quad \text{Hétérotrophes : lion, champignon, être humain.}$

b) $\text{Processus spécifique aux autotrophes}$ $\text{La photosynthèse : seuls les organismes possédant de la chlorophylle (chloroplastes ou pigments équivalents) peuvent la réaliser.}$

c) $\text{Processus commun à tous}$ $\text{La respiration cellulaire : tous les organismes vivants la réalisent pour produire de l'ATP.}$

3Analyse d'une expérience

a) $\text{Phase 1 — obscurité}$ $\text{Seule la respiration cellulaire fonctionne (pas de lumière). Elle consomme O}_2 \text{ et libère CO}_2\text{, d'où la baisse de [O}_2\text{] et la hausse de [CO}_2\text{].}$

b) $\text{Phase 2 — lumière vive}$ $\text{Photosynthèse + respiration simultanées. La photosynthèse l'emporte : elle consomme CO}_2 \text{ et produit O}_2 \text{ en grande quantité} \rightarrow \text{hausse de [O}_2\text{] et baisse de [CO}_2\text{].}$

c) $\text{Respiration en phase 2 ?}$ $\text{Oui : la respiration cellulaire est permanente (nuit et jour). À la lumière, son effet est masqué par la photosynthèse plus intense.}$

d) $\text{Équation bilan — photosynthèse :}$ $6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{lumière}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$

e) $\text{Souris — lumière ou obscurité}$ $\text{Dans les deux cas : [O}_2\text{] diminue et [CO}_2\text{] augmente. La souris ne réalise que la respiration cellulaire (pas de chloroplastes) ; la lumière n'a aucune influence.}$

4Bilan d'une cellule végétale

a) $\text{Bilan net} \; \text{CO}_2 = \text{produit (resp.)} - \text{consommé (phot.)} = 4 - 12 =$ $-8 \; \text{unités/h} \Rightarrow \text{la cellule absorbe 8 unités de CO}_2 \text{ par heure (bilan entrant).}$

b) $\text{Bilan net} \; \text{O}_2 = \text{produit (phot.)} - \text{consommé (resp.)} = 12 - 4 =$ $+8 \; \text{unités/h} \Rightarrow \text{la cellule libère 8 unités de O}_2 \text{ par heure (bilan sortant).}$

c) $\text{À l'obscurité : photosynthèse} = 0$ $\text{Seule la respiration : consomme 4 unités de O}_2\text{/h et libère 4 unités de CO}_2\text{/h.}$