Processus de la photosynthèse

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II. Processus de la photosynthèse

1. Présentation globale

La lumière* est l’un des trois éléments primordiaux participant au développement de la plante (avec l’eau et le CO2). Elle est la base du mécanisme essentiel qu’est la photosynthèse. C’est le processus permettant à l’arbre ou à la plante de se nourrir à l’aide de ses propres feuilles.

hn (énergie lumineuse)

Mécanisme : CO₂ + H₂O fleche

(CH₂O) + O₂

Tout au long du déroulement de ce processus, les feuilles captent la lumière du Soleil et le gaz carbonique de l’air tandis que les racines absorbent de l’eau. On pourra préciser que la lumière est captée par le dessus de la feuille et que l’apport en CO2 provient de l’épiderme inférieur de la feuille, via les stomates* (pores microscopiques).
A partir de l’énergie solaire (convertie en énergie chimique par l’extraction de l’hydrogène de l’eau), les feuilles changent l’eau et le CO2 en glucose tout en rejetant de l’oxygène. Par la suite, le glucose est évacué de la feuille pour être transporté dans tout le végétal afin de le nourrir. Les stomates régulent la quantité d’eau perdue par les végétaux. Pour que l’eau s’évapore rapidement, ils restent complètement ouverts la journée. Cette perte d’eau crée une force de succion qui aide à faire monter depuis les racines davantage de sève. L’eau se déplace à travers la tige et le long des nervures des feuilles. Ce processus, appelé évapo-transpiration*, permet aux végétaux de puiser dans le sol des éléments nutritifs dont ils ont besoin pour vivre.

2. Description et rôle de la chlorophylle

La chlorophylle* est un pigment*, c’est-à-dire une molécule qui apparaît colorée à la lumière car elle entre en état d’excitation en absorbant certaines longueurs d’ondes du spectre lumineux. Plus précisément, la chlorophylle absorbe les longueurs d’ondes bleues et rouges ; c’est pour cela que la lumière réfléchie que nous voyons est de couleur verte.

Il faut savoir qu’il existe différents types de chlorophylles :
-La chlorophylle a, qui se trouve dans tous les organismes photosynthétiques (à l’exception de certaines bactéries)
-La chlorophylle b, se trouvant associée à la chlorophylle a, dans les plantes et les algues vertes
-La chlorophylle c, se trouvant dans les algues brunes et les diatomées
-La chlorophylle d, se trouvant dans certaines cyanobactéries.

Il existe deux classes de pigments non-chlorophylliens intervenant aussi dans la capture de l’énergie lumineuse :
-Les caroténoïdes, donnant leur couleur aux algues brunes et aux feuilles des arbres en automne. Leur fonction principale est de servir d’antioxydant et de protéger les chlorophylles des dégâts de l’oxygène
-Les phycobili-protéines sont présentes dans les algues rouges et brunes, ainsi que dans les cyanobactéries.

Nous avons réalisé une expérience sur les pigments photosynthétiques au cours d'une de nos séances de TPE
Cliquez ici pour aller sur la page de l'expérience

3. Définition et origine des chloroplastes

La chlorophylle est contenue dans des organites ovoïdes de quelques micromètres : les chloroplastes*. Ils possèdent une enveloppe à deux membranes contenant un gel protéique non pigmenté, le stroma, dans lequel baignent des centaines de vésicules aplaties, les thylakoïdes*, parfois empilées en grana. La chlorophylle et les autres pigments se trouvent uniquement dans ces thylakoïdes. Ce sont les chloroplastes qui alimentent la plante en glucides.

chloroplaste

On peut expliquer la présence de chloroplastes par la théorie de l’endosymbiose proposée en 1883 : ils descendraient de bactéries ressemblant aux cyanobactéries actuelles. Il y a 1 ou 2 milliards d’années, une de ces bactéries se serait associée à une cellule eucaryote et se serait installée en son sein dans une relation à bénéfices réciproques pour donner naissance aux premières cellules végétales. Cette théorie est aujourd’hui confortée par la génétique moléculaire : la présence, dans les chloroplastes, d’un petit génome de type bactérien qui code une grande part des protéines nécessaires à la photosynthèse, en est un indice.

endosymbiose

4. L’intervention de la lumière (phase lumineuse)

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Réaction globale de la phase lumineuse :

hn (énergie lumineuse)

H₂O + ADP + Pi + NADP⁺ fleche O₂ + ATP + NADPH + H⁺

L’énergie lumineuse, transportée par les photons, est captée au niveau des chloroplastes, au niveau de deux complexes moléculaires insérés dans la membrane thylakoïdale. Ils sont appelés photosystèmes I et II* (le photosystème II agit avant le I, les noms ayant été donné selon l’ordre de leur découverte scientifique) et contiennent de 250 à 400 molécules de chlorophylle et autres pigments. Leur structure comporte une antenne collectrice, qui canalise l’énergie lumineuse, et d’un centre réactionnel, qui convertit cette dernière en énergie chimique. Les pigments entrent en état d’excitation lorsqu’ils captent un photon. Cette excitation est ensuite transmise d’un pigment à un autre, de proche en proche, jusqu’à deux molécules de chlorophylle a. Cette paire émet un électron aussitôt capté par un accepteur d’électrons situé dans la membrane. A partir de ce moment, la lumière n’est plus nécessaire au déroulement de la photosynthèse, l’énergie servant à la réaction ayant été convertie. Au même instant, cette réaction arrache autant d’électrons à des molécules d’eau. Par la suite, il est transféré à un autre accepteur, puis à un suivant, le long d’une chaîne de transporteurs d’électrons. Le flux d’électrons créé permet la synthèse de deux molécules très énergétiques : l’ATP* et le NADPH*.

5. Synthèse de la matière (phase sombre)

Réaction globale de la phase sombre :

hn (énergie lumineuse)

CO₂ + ATP + NADPH + H⁺ fleche (CH₂O) + ADP + Pi + NADP⁺

Ces deux molécules énergétiques, une fois créées, participent à l’assimilation du carbone par le végétal chlorophyllien. Cette assimilation se déroule dans les chloroplastes à l’extérieur des thylakoïdes. En utilisant du carbone 14, l’américain Melvin Calvin a pu suivre le trajet du CO2 dans une cellule végétale, ce qui lui a valu le prix Nobel de chimie en 1961. Il a montré que la synthèse de glucides implique la formation d’un cycle de réactions complexes. Ces réactions sont catalysées par 13 enzymes dont la plus célèbre est le rubisco (qui est d’ailleurs l’enzyme la plus abondante au monde). Elle assure la fixation du CO2 en intégrant son atome de carbone aux glucides en formation. Mais elle a le défaut de fixer l’oxygène, c’est la photo respiration, qui compromet le rendement de la photosynthèse.

Remarque : En conditions optimales (longueur d’onde des photons et concentration en CO2 optimales), 8 photons suffisent pour assimiler une mole de carbone. Mais dans la nature, le rendement est beaucoup plus faible : seulement 4% du rayonnement solaire est converti en énergie chimique.