Les plantes et la lumière

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1 Les plantes et la lumière Première partie : la lumière comme source d énergie Pierre.carol@upmc.fr

2 1. Introduction

3 La lumière est la source d énergie la plus abondante sur terre E = hc/λ c = 3 x 10 8 m/s λ = 400 à m E = 1,98 10 exp -16 /λ E = 5 à 2, J par photon! En plein midi = 1à 2 milimole de photon par m 2 par seconde Energie : >200 à 400 Watts par m 2

4 La lumière est la source d énergie la plus abondante sur terre En France : KWh par m 2 Consommation KWh par an Soit l énergie lumineuse reçue par 5000 km 2 (1% du territoire) En biomasse = 50% du territoire

5 Spectre électromagnétique et lumière visible Rayons Gamma Rayons X UV Infrarouge & Micro-ondes Ondes Radio Lumière Visible Longueur d onde (nm)

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7 De nombreux organismes sont photoautotrophes Euglène Cyanobactérie mousses, fougères, plantes à fleur, algue verte Algues brunes

8 L appareil photosynthétique est localisé dans des membranes

9 L appareil photosynthétique est localisé dans des chloroplastes Coupe transversale Chloroplaste Mesophyle Intermembrane space Membrane externe Grana Stroma Granum Stroma Thylacoïde Membrane interne Lumen du Thylacoïde

10 Soure : Loïc Elard cours de LV101, UPMC Origine de la photosynthèse et du chloroplaste

11 Origine de la photosynthèse et du chloroplaste Soure : Loïc Elard cours de LV101, UPMC

12 Soure : Loïc Elard cours de LV101, UPMC Origine de la photosynthèse et du chloroplaste

13 Origine de la photosynthèse et du chloroplaste

14 Origine de la photosynthèse et du chloroplaste

15 Origine de la photosynthèse et du chloroplaste

16 2. L équation de la photosynthèse Équation globale Origine de l oxygène Origine du carbone Réaction de Hill et phénomène d oxydo-réduction

17 La photosynthèse est le processus par lequel les organismes synthétisent des molécules organiques à partir de CO2 et H2O grace à l énergie lumineuse Dioxide Carbone Eau Glucose Oxygène gazeux

18 O 2 libéré par photosynthése provient de l oxydation de l eau (H + and e - )

19 Expérience d Engelmann (1882) D'après Nathan, Terminale S spécialité 2002

20 Ro (Respiration à l obscurité) Pa (apparente) Pb (brute ou réelle)

21 Mesure de la variation d oxygène par l électrode de Clark O 2 + 4e H 2 O => 4 OH -

22 Activité photosynthétique d une suspension d algues unicellulaires mesurée à l aide d une électrode à oxygène. P n <0 P>0 Les variables P n et R o sont en valeurs algébriques. P = P n - R o P: dégagement d oxygène photosynthétique 0 P n : Photosynthèse nette 0 ou 0 appelée aussi P a photosynthèse apparente R o : Respiration déterminée à l obscurité (consommation d oxygène : < 0)

23 4. Influence des facteurs externes : Influence de la lumière Notion d efficacité photosynthétique Point de compensation Photosynthèse saturante Plante d ombre et de lumière Influence du CO2 Influence de la température

24 Influence du niveau d éclairement sur la photosynthèse Pmax Photosynthèse apparente Eclairement (µmole.m -2.s -1 )

25 Comparaison des plantes de lumière et plante dʼombre Photosynthèse apparente Eclairement (µmole.m -2.s -1 )

26 Influence de la concentration en C0 2 sur la photosynthèse Photosynthèse apparente Concentration en CO 2 (%)

27 La photosynthèse est une réaction d oxydoréduction (dichloro-phéno-indo-phénol, ou Fe3+ D'après Hatier, Terminale S spécialité 2002 Expérience réalisée sur des tylacoïdes isolés

28 5. Les pigments photosynthétiques : nature et rôle les chlorophylles Les caroténoïdes Formule chimique Propriétés d absorbance Excitation des pigments, transfer d énergie Notion de rendement quantique

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30 Lien entre l'absorption et la photosynthèse Absorption O 2 libéré

31 Chlorophylle a & b (b = CHO) Chl a has a methyl group Chl b has a carbonyl group Porphyrin ring delocalized e - Queue Phytol

32 Les caroténoïdes Les caroténoïdes Isoprène

33 xanthophylle

34 Lien entre l'absorption et la photosynthèse Spectre d absorption Spectre d action Rendement quantique (Φ ) Rendement quantique Spectre d absorption

35 Propriétés dʼabsorption et modalités de désactivation des molécules de chlorophylle a F, état fondamental; Sa, 1 er état singulet excité; Sb, 2ème état singulet excité. Sa Excitation A Fluorescence B Résonance C Photochimie D Q Sb Chl* Chl1* Chl2* Chl* B, C ou D photon e - F Chl Chl Chl1 Chl2 Chl1 Chl Chl + photon (bleu) photon (rouge) photon photon photon

36 e - État excité e - Fluorescence Perte d énergie en fluorescence Perte d énergie en chaleur. e - Chaleur Photon e - Chlorophylle État basal Excitation de la chlorophylle Lumière visible Ultra violet : fluorescence

37 6. l acte photochimique : Organisation de l appareil photosynthétique Il existe deux photosystèmes Les photosystèmes sont composés de pigments et protéines Le PSII est associé au centre de dégagement de l O2 Le PSI assure la réduction du NADP

38 Rendement quantique Longueur d onde (nm) Variation du rendement quantique en fonction de la longueur d onde en l absence ( ) ou en présence d une radiation lumineuse fixe à 650 nm ( ).

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40 O 2 libéré par photosynthése provient de l oxydation de l eau (H + and e - )

41 CAB : chlorophyll a binding protein ; CP : complex protein ; SEO : système dʼémission dʼoxygène ; LHC : light h a r v e s t i n g c o m p l e x ; p h e o : pheophytine ; Le PSII est composé d une antenne mobile d une antenne fixe Le complexe protéiques D1 +D2 porte le Pigment 680 (2 x Chla) Il faut imaginer l antenne comme un entonnoir à photons

42 Expérience de Joliot, Barbieri et Chabaud, 1969

43 Principe de fonctionnement du centre réactionnel du PSII Excitation par la lumière et réactions de transfert d électrons dans le PSII Photons Chl a Représentation schématique de l antenne du PSII H + Principe de fonctionnement du centre de dégagement de l oxygène 2 H 2 0

44 Organisation du PSI Organisation simplifiée du photosystème I (PSI) Représentation schématique de l antenne du PSI

45 Excitation par la lumière et réactions de transfert d électrons dans le PSI Stroma Lumen PC : plastocyanine ; Fd :ferrédoxine FNR : ferrédoxine - NADP réductase

46 7. Le transfert des électrons au cours de la Photosynthèse Transfert acyclique : PSII à Plastoquinones PQ à cyt B6f B6f à Plastocyanine Plastocyanine à PSI Le schéma en Z des potentiel redox Transfert cyclique autour de PSI

47 Fonctionnement des photosystèmes au cours du transfert d électrons (Schéma en Z) SEO

48 Transports acyclique et cyclique des électrons dans la membrane des thylacoïdes hν stroma hν 2 NADP + 2 (NADPH, H+) LHCII PSII Q A Q B Phéo P e - FQR fd PQ PQH 2 b 6 f LHCI 4 e - A o P 700 fd 4 e - FNR thylacoïde SEO 4 e - lumen PC PSI 2 H 2 O O H +

49 8. L Accumulation de protons et la synthèse d ATP Accumulation dans le lumen ph Synthèse d ATP Mécanisme de la translocation oxydation de l eau réox des PQ Force protomotrice Structure et fonction de l ATP synthase

50 A B A, Dispositif expérimental comprenant une cuve thermostatée transparente dans laquelle est placée une suspension de thylacoïdes et une électrode de ph; B, Enregistrement de la concentration du milieu en protons au cours du temps lors dʼune transition obscurité/ lumière suivie dʼune transition lumière obscurité.

51 Expérience de Jagendorf montrant une synthèse dʼatp (à partir dʼadp et de Pi) par des thylacoïdes à lʼobscurité en réponse à lʼétablissement dʼun gradient artificiel de protons Thylacoïdes thylacoïdes

52 8. L Accumulation de protons et la synthèse d ATP Accumulation dans le lumen ph Synthèse d ATP Mécanisme de la translocation oxydation de l eau réox des PQ Force protomotrice Structure et fonction de l ATP synthase

53 1- Transport acyclique des électrons : H + / 2 e - = 6 hν stroma lumen PSII 2e - 4 H + PQ PQH 2 b 6 f hν PC NADP + fd PSI 2e - NADPH FNR thylacoïde ADP + Pi F1 Fo ATP + H 2 O ATP synthase Gradient électrochimique des protons 4 H + 4 H + H 2 O 2 H + + 1/2 O 2

54 8. L Accumulation de protons et la synthèse d ATP Accumulation dans le lumen ph Synthèse d ATP Mécanisme de la translocation oxydation de l eau réox des PQ Force protomotrice Structure et fonction de l ATP synthase

55 Le gradient de protons formé ou force protonmotrice - gradient ΔµH + = - 2,3 RT ΔpH + FΔΨ (en J.mol -1 ) - ΔΨ = 0 - A la lumière, le gradient de protons est : ΔµH + = - 2,3 RT ΔpH, ou encore, en divisant ΔµH + par F (Faraday): Δp (en V) = - (2,3 RT / F) x ΔpH En mv et à 25 C : Δp = - 59 ΔpH Pour une différence de ph de 3 le potentiel est de l ordre de -180mV C est la force proton-motrice

56 Le rendement de la photophosphorylation ATP 2e - = ATP H + x H + 2e - Lʼexpression prenant en compte le transport de protons dans la membrane sʼécrit : - rapport H + /ATP = 4 pour lʼatp synthase chloroplastique - H + / 2e - sont de 6 le transport dʼélectrons acyclique et 4 transport dʼélectrons cyclique, - le rendement est : ATP / 2 e - = 1,5 = 3 ATP pour une di-oxygène libéré - et ATP / 2e - = 1 (transport cylique)

57 Modélisation 3D d une ATP synthase A 3-D model of the ATP synthase from cryo-em with an atomic model of the F1- c10 subcomplex docked into it. bch.html

58 Structure et modèle de fonctionnement de lʼatp synthase chloroplastique. A, Organisation tridimensionnelle de lʼatp synthase; B, Vue polaire du domaine F1; B. A.

59 Structure et modèle de fonctionnement de lʼatp synthase chloroplastique. Mécanisme simplifié de synthèse de lʼatp selon le modèle de Boyer. Vitesse maximale : 130 révolution par seconde!

60 La phase primaire génère : ATP et NADPH c.a.d. de l énergie et du pouvoir réducteur Phase primaire 8 photons 4e - 2H 2 O O 2 2 NADPH 3 ATP Avec un rendement quantique de 0,08 : 12 photons absorbés par O2 dégagé (tous les photons ne font pas de photochimie)

61 9. Assimilation du CO2 Fixation d environ 10g de CO2 par jour par m2 (blé) (5 milliard de tonnes pour la France entière) environ 2 micromoles de CO2 par seconde Avec un éclairage de 200 micromole de photons PAR Pour 100 photons de PAR une molécule de CO2 fixé En théorie 12 photons absorbés : 1 CO2 fixé

62 Les trois phases du cycle de Calvin Fixation du CO2 Réduction du Phosphoglycérate en triose phosphate Régénération du substrat

63 Fixation du CO 2 2 NADPH 3 ATP Synthèse : Saccharose (Glucose + Fructose) Amidon (poly Glucose ) En 1961 Calvin et collaborateurs montrent qu une suspension d algues synthétise des petites molécules à 3 carbones

64 Fixation du CO 2 Source de lumière Suspension d algues Robinet Chronomètre Ethanol chaud Dispositif expérimental algues + C 14 O 2 + Lumière

65 Fixation du CO 2 CO 2 2 x Ribulose 1,5-biphosphate (RuBP) C5 Rubisco 2 Phosphoglycérate (PGA) 2 C3 Réalisée spontanément (sans besoin d énergie) par l enzyme Ribulose 1,5 Biphosphate Carboxylase Oxygénase RUBISCO : protéine la plus abondante sur terre représente la majorité des protéines d une feuille

66 Fixation du CO 2 Structure 3D de la Rubsico d épinard (L8S8) Vue du dessus (A) et de face (B). Les grosses sous unités sont en bleu (L) et les petites sous-unités en rouge (S) A B Les grandes sous-unités sont codées par des gènes chloroplastiques Les petites sous-unités sont codées par des gènes nucléaires

67 Phase de REDUCTION du cycle de Calvin ATP ADP NADPH +H + 2 PGK Phosphoglycérate 3-phosphate NADP + Pi GAPDH GAP DHAP Trioses phosphate Consomme de l énergie ATP Consomme du pouvoir réducteur NADPH Produit des trioses phosphates

68 Bilan de la fixation d une molécule de CO 2 2H 2 O Phase primaire 8 hn 4e - 2 NADPH 3 ATP O 2 Production nette de triose phosphate Comment sont fabriqués les substrats? Consomme de l ATP Fabrique des pentoses bi-p

69 Bilan de l assimilation et sa régulation: 3 Rubp + 3 CO2 = 6 PGA (fixation) 6PGA + 6ATP + 6 NADPH = 6 GA3P (réduction) 5 GA3P + 3ATP = 3 Rubp (régénération) Et le plus important : 1 GA3P produit Il faut donc 9 ATP et 6 NADPH pour produire un GA3P

70 10. La photorespiration et les métabolismes qui l évitent : La Rubisco à une activité oxygénase Rubp + O2 => PGA + Phosphoglycolate Le phosphoglycolate est une perte de 2 carbones!!! O2 CO2 Concentration dans la cellule Concentration dans l air 290 µm 17µM 20% 0,04% Km RUBISCO 250 µm 17 µm Vc/Vo = entre 4 et 2,8 mais baisse avec l activité photosynthétique

71 Photorespiration : mécanismes et compartimentation 1, RubisCO; 2, Glycolate oxydase; 3 et 4, transaminases; 5, OH-pyruvate déshydrogénase; 6, glycine décarboxylase; 7, glutamate déshydrogénase; 8 et 9,GS + GOGAT.

72 Bilan du métabolisme photorespiratoire Rubisco (fonction oxygénase) 2x 5C 2x 2C (10 C) 3 x 3C (9C) Régénération de RubP va consommer un ATP 2x 3C 2x 2C glycine décarboxylase (décarboxylation) 3 x 3C 3C 3C

73 Plantes au métabolisme C4 C4 maïs, canne à sucre CAM : crassulacées (ananas, cactées) Découverte en étudiant la fixation du CO 2 de la canne à sucre Fixe le CO 2 (HCO 3 -) grâce à l enzyme PEP carboxylase. Km très bas et pas d affinité pour le O 2 Puis libère le CO 2 pour fixation par la Rubisco Avantage : accumule du CO 2 et évite la photorespiration

74 Photosynthèse de type C4 Apparu de nombreuses fois indépendamment au cours de l évolution Pi Bundle - sheath : gaine périvasculaire PEP carboxylase : phosphoénolpyruvate carboxylase MDH : malate déshydrogénase

75 Photosynthèse de type CAM La nuit, stomates ouverts MDH Le jour, stomates fermés PEP carboxylase : phosphoénolpyruvate carboxylase MDH : malate déshydrogénase

76 Finalement les plantes C4 peuvent faire la photosynthèse avec Les stomates fermés : transpirent peu Photosynthèse RT C3 500 C4 250 CAM 50 Rapport de transpiration (RT) selon le type de photosynthèse (RT: moles de H 2 O transpirée / moles de CO 2 fixé)

77 Bilan La PS est un transfert d électrons de l eau au NADP, une accumulation de protons dans les thylacoïdes Le NADPH et l ATP formés permettent l assimilation du CO2 après sa fixation par la RUBISCO L activité oxygénique de la RUBISCO et la photorespiration consomme de l ATP