L'amidon

forme de stockage du glucose

dans la lignée verte

L'aptitude à métaboliser (synthèse, dégradation) l'amidon est un caractère ancestral de la lignée verte. Il est synthétisé à partir des oses simples produits par la photosynthèse, dans le chloroplaste. Ainsi, pour observer de l'amidon intra-chloroplastique, on prépare des cellules chlorophylliennes d'algues vertes, characées, mousses, fougères ou plantes à fleurs et on colore par l'eau iodée. L'amidon se teinte en bleu-violet.. Il est également très facile d'observer des amyloplastes, organites de stockage à plus long terme de l'amidon, présents dans les organes de réserves (graines, tubercules, rhizomes...).

Mise en évidence d'amidon intra-chloroplastique: quelques exemples
Proposer une recherche de l'amidon dans les chloroplastes de cellules appartenant à différents groupes de la lignée verte, chaque binôme ne travaillant que sur un exemple. Regrouper les résultats sur une image.
- Algues vertes : Chlamydomonas, Spirogyre, Mougeotia. Voir images.
Rq/ Le groupe "algues", polyphylétique n'a pas de signification phylogénétique.
- Chara sp. (groupe des Charophytes). Voir images.
- Funaria hygrometrica (groupe des Embryophytes, mousse), Polypodium vulgare (groupe des Embryophytes, fougère). Voir images.
- Elodea canadensis (groupe des Embryophytes, Spermaphytes, Angiospermes, f. des Hydrocharidées). Voir images.
- Sedum album (groupe des Embryophytes, Spermaphytes, Angiospermes, f. des Crassulacées). Voir images.
Compléments (autres TP): "Eclairement, rejet d'O2 et synthèse d'amidon" , "Synthèse d'amidon dans les chloroplastes éclairés" et "Données biochimiques sur le métabolisme intra-chloroplastique de l'amidon".

Observation d'amyloplastes: quelques exemples
Les amyloplastes sont des plastes dépourvus de pigments, spécialisés dans la synthèse et le stockage de l'amidon.
Ils se chargent d'amidon alors que le végétal fournit aux cellules qui les contiennent, des précurseurs (saccharose en général) issus de la photosynthèse. Ils sont nombreux dans certains tissus de réserve présents dans des organes qui assurent la reproduction ( ex. graines, zygote de Chara...) ou la pérennance de plantes bisannuelles ou vivaces ( tubercules, rhizomes...) à la mauvaise saison.
Le stock d'amidon sera mobilisé, à plus ou moins long terme pour fournir des métabolites (glucose notamment ) nécessaires à la croissance de nouveaux tissus (plantule, jeune thalle, nouvelles tiges...)
Préparer quelques cellules contenant des amyloplastes, caractériser l'amidon. Observer, sur un amyloplaste sélectionné, le hile (site de départ du dépôt) et les stries d'accroissement.
- Amyloplaste du zygote de Chara sp. (groupe des Charophytes). Voir autre TP "oosphère" et "zygote" de Chara sp.
- Amyloplastes du rhizome de polypode vulgaire (groupe des Embryophytes, fougère). Voir images .
- Amyloplastes du tubercule de pomme de terre (groupe des Embryophytes, Spermaphytes, Angiospermes, f.des Solanacées). Voir images - Amyloplastes de banane (groupe des Embryophytes, Spermaphytes, Angiospermes, f.des Musacées). Voir images .

Caractéristiques moléculaires de l'amidon: manipulation d'un modèle
L'amidon est un mélange de deux composants l'amylose qui représente en général 20 à 30% de l'ensemble (80%dans les amyloplastes de la pomme de terre) et l'amylopectine. Ce sont deux polymères du glucose a qui ont une structure moléculaire de base voisine de celle du glycogène.
-amylose : chaîne de résidus glucose a réunis par liaison glycosidique a1-4 (très peu de branchements a1-6 ), conformation hélicoïdale, quelques centaines d'unités glucose (MM = 105 à 106 mole-1).
-amylopectine : structure très proche de celle du glycogène mais avec des branchements plus espacés tous les 20 à 30 résidus environ, en général plusieurs centaines de milliers d'unités glucose (MM = 107à 108g mole-1) et plusieurs centaines de chaînes à configuration hélicoïdale, certaines d'entre-elles pouvant s'associer et former des doubles hélices.
Les interactions entre amylose et amylopectine sont mal connues.
1°/Ouvrir le modèle Glyco3D.pdb (Anne Imberty et al) qui correspond à une infime partie d'une molécule d'amylopectine, dans Jmol ou Chime. Bien faire apparaître un résidu glucose, les différentes chaînes, les liaisons glycosidiques a 1-4 et a 1-6. Constater l'assemblage en double hélice de 2 chaînes "branchées". Proposer une représentation simplifiée du modèle. Voir résultats.
2°/Vérifier expérimentalement, in vitro, par l'intermédiaire d'un test enzymatique que la molécule est bien un polymère du glucose a et que la plupart des résidus sont reliés par la liaison glycosidique a1-4. Utiliser une a amylase. Voir résultats.

Rq/ Explication moléculaire de l'action de l'eau iodée sur l'amidon
L'amidon se colore en bleu-violet en présence d'eau iodée. Cest l'amylose qui est responsable de cette coloration intense car elle peut, comme le font les chaînes de la molécule de glycogène (voir modèle), complexer les ions triiodures, mais sur une plus grande longueur, ce qui a pour effet de déplacer le maximum d'absorption du complexe vers les longueurs d'onde plus élevées ( max. d'absorption pour l entre 620 et 640 nm). L'amylopectine complexe moins bien l'iode (chaînes plus courtes), elle donne une teinte rouge-marron (peu intense).

Structure en partie cristalline du contenu des amyloplastes
1°/ Le phénomène de la croix noire
Observer des amyloplastes de tubercule de pomme de terre en lumière polarisée analysée avec les polaroïdes croisés. Procéder comme avec les lames minces de roches.
Vérifier que la lumière polarisée transmise par le polariseur est bien éteinte lorsque l'analyseur a une orientation bien précise (polaroïdes croisés). Glisser alors la préparation sur la platine et constater que de la lumière en provenance des amyloplastes est de nouveau transmise par l'analyseur, les grains d'amidon étant alors repérables, chacun avec une croix noire centrée sur le hile. Voir images
Chaque amyloplaste se comporte lui-même comme un polariseur, il peut, comme le feraient certains cristaux, réorienter le plan de polarisation de la lumière issue du premier polaroïde, permettant ainsi à une partie de la lumière émise par le grain d'émerger de l'analyseur. Le grain apparaît brillant , les zones maintenues en extinction forment une croix sombre.
Il faut simplement retenir que la croix noire observable au niveau de chaque amyloplaste traduit une structure en partie cristalline de la matière qu'il contient.
2°/La structure en partie cristalline de l'amidon attribuée à l'organisation des molécules d'amylopectine
Un polymère est cristallin si la disposition de ses molécules est ordonnée de façon à générer un motif atomique qui se répète périodiquement dans un espace à 3 dimensions.
En microscopie optique, on ne peut observer que la succession des anneaux (stries) de croissance qui ne sont en général pas tous repérables. Si on prélève un peu d'albumen dans une semence d'orge en germination depuis 3js, on peut récupérer des amyloplastes dont l'amidon a subi une digestion enzymatique (amylases) partielle et différentielle. Les anneaux de croissance apparaissent alternativement très sensibles (matière solubilisée) ou résistants (matière toujours en place) à l'action commençante des amylases. Cette observation suggère une différence dans la composition et/ou l'organisation des molécules présentes au niveau de deux anneaux successifs. Les diagrammes de diffraction de RX montrent que les parties qui "résistent" à l'hydrolyse ont une structure semi-cristalline générée par la disposition des molécules d'amylopectine alors que les autres (qui contiendraient essentiellement de l'amylose) ont amorphes.
Réaliser une préparation d'amyloplastes extraits d'une semence d'orge en cours de germination. Repérer les anneaux d'accroissement plus ou moins résistants à l'amylolyse.
Complément : le modèle de l'organisation supra-moléculaire de l'amylopectine, replacé dans le contexte du grain, permet de rendre compte de la structure semi-cristalline de l'amidon. Voir résultats.