Introduction à la biologie. M1 Phytem ENS Cachan

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1 à la biologie M1 Phytem ENS Cachan

2 La cellule : unité de base du vivant. 2. Métabolisme 1. Membrane 3. Matériel génétique Schéma théorique d une cellule 1. Membrane pour le confinement des éléments cellulaires 2. Métabolisme à l origine de l énergie et des composants cellulaires 3. Matériel génétique portant une information réplicable et capable d évoluer

3 Diversité des «organisations cellulaires» Cellules procaryotes Cellules eucaryotes Membrane plasmique Matériel génétique Cytosol Membrane plasmique Noyau Cytosol Réticulum endoplasmique Appareil de Golgi Chloroplaste Paroi Schéma théorique d une cellule procaryote Schéma théorique d une cellule eucaryote «animale» Mitochondrie Matrice extracellulai re Schéma théorique d une cellule eucaryote «végétale»

4 Des êtres vivants uni ou pluricellulaires Unicellulaires Environnement cellulaire = Environnement de l organisme Pluricellulaires Environnement de l organisme Procaryotes : bactéries et archées Eucaryotes Métazoaires «animaux» Environnement cellulaire «Végétaux»

5 Les molécules de la cellule ex t Protéine Membrane plasmique Phospholipides Noyau Cytosol Réticulum endoplasmique Appareil de Golgi int Membranes Protéines Chloroplaste Ions Chloroplaste Matrice extracellulaire Acides nucléiques Glucides Cytoplasme, nucléoplasme, matrice, stroma, matrice extracellulaire

6 La cellule : unité de base du vivant. 2. Métabolisme 1. Membrane 3. Matériel génétique Schéma théorique d une cellule Cours 1 : Un exemple de processus métabolique : la photosynthèse Cours 2 : Du génotype au phénotype : l expression de l information génétique CO 2 H 2 O? Energie? Constituants cellulaires Génotype Phénotyp e

7 La photosynthèse M1 Phytem ENS Cachan

8 Processus photosynthétique hν CO 2 (g) H 2 O (l) Processus photosynthétiques Lignée verte Sucres O 2 (g) H 2 S Bactéries vertes et pourpres sulfureuses... S

9 Processus photosynthétique hν CO 2 (g) H 2 O (l) Processus photosynthétiques Lignée verte Rhodophytes, chlorophytes,... Sucres O 2 (g) H 2 O + CO 2 CH 2 O + O 2 6H 2 O + 6CO 2 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Glucose r G 0 = 2840 kj/mol d hexose formé

10 Qui réalise la photosynthèse?

11 Où se réalise la photosynthèse? Fleur Fruits Feuille Cellule végétale nonchlorophyllienne Tige Racine D après Turck et al, 2008 Représentation schématique d une Angiosperme Cellule végétale chlorophyllienne

12 Approvisionnement en H 2 O et CO 2 Fleur hν Fruits Feuille Face supérieure Parenchyme palissadique CO 2 H 2 O Vaisseaux conducteurs Tige Mésophylle Stomates Racine CO 2 D après Turck et al, 2008 H 2 O Représentation schématique d une Angiosperme Coupe transversale de feuille Face inférieure D après Plant Physiology

13 Expériences historiques Exp de Ruben et Kamen (1941) Marquage de l eau à l 18 O hν C 16 O 2 (g) H 2 18 O (l) Processus photosynthétiques Sucres 18 O 2 (g) 2 H 2 O O 2 + 4H + + 4e - CO 2 + 4H + + 4e - CH 2 O + H 2 O 2H 2 O + CO 2 CH 2 O + O 2 + H 2 O Oxydation de l eau Réduction du CO 2 Équation bilan

14 Expériences historiques Les deux phases de la photosynthèse Exp de Ruben et Kamen (1941) - 0,6 V - 0,4 V - 0,2 V CO 2 / CH 2 O 2 H 2 O Energie 4e - CO 2 0 V O 2 CH 2 O + 0,2 V + 0,4 V + 0,6 V + 0,8 V + 1 V E = -1,25V r G 0 = - n.f. E = 480 kj/mol de CO 2 r G 0 = 2880 kj/mol d hexose O 2 / H 2 O Réaction non spontanée

15 Expériences historiques Les deux phases de la photosynthèse Exp d Emerson et Arnold (1932) Flash lumineux (10µs) Photosynthèse nette (incorporation CO 2 ) pour 1s de lumière 0 Suspension de chlorelles Durée phase sombre (ms) + Phase sombre de durée variable Intermédiaires produits à la lumière rapidement Utilisation lente (Même à l obscurité)

16 Expériences historiques Les deux phases de la photosynthèse Exp d Emerson et Arnold (1932) Bilan : hν Réactions s Intermédiaires Réactions biochimiques

17 Expériences historiques Les deux phases de la photosynthèse Exp de Hill (1937) Mesure [O 2 ] Lumière continue Concentration O 2 Ferricyanure (Fe 3+ ) Suspension de chloroplastes isolés Tampon sans CO Temps (min) 2 H 2 O O 2 + 4H + + 4e - Production d O 2 nécessite un accepteur d électron Fe 3+ (ferricyanure) + 1e - Fe 2+ (ferrocyanure) 2H 2 O + 4 Fe 3+ 4 Fe 2+ + O 2 + 4H +

18 Expériences historiques Les deux phases de la photosynthèse Bilan : 2H 2 O CO 2 hν Réactions s Intermédiaires e - Réactions biochimiques O 2 CH 2 O, H 2 O

19 1.1 La lumière Absorption de la lumière Visible Infra-rouge 100 O 3 Flux soleil = 1400 W/m 2 au sommet de l Atm Flux soleil = 1000 W/m 2 à la surface de la Terre % 50 O 2, H 2 O T soleil = 5800 K λ max = 3000/T = 550 nm λ max = 550nm PAR : Photosynthetic active radiation ~ 50 % spectre = 500 W/m 2 Longueur d onde (nm) Spectre du rayonnement solaire

20 1.1 La lumière Spectre d action de la photosynthèse Exp d Engelman Cellule de spirogyre Bactérie aérobie (B. thermo) Chloroplaste spiralé Éclairement avec un spectre lumineux 100 % 50 Les bactéries présentant un chimiotactisme positif pour l O 2 se concentrent dans les zones «rouges et bleue» du spectre Longueur d onde (nm) Spectre d action de la photosynthèse

21 1.1 La lumière Spectre d absorption 100 Spectre du rayonnement solaire % Longueur d onde (nm) 100 hν Absorption (%) Activité PhS Longueur d onde (nm) Superposition des spectres d action et d absorption. Pigment Pigment * Spectre d absorption des pigments photosynthétiques

22 1.2 Les pigments Les pigments photosynthétiques Front de migration Carotène Les caroténoïdes Xanthophylles Chlorophylle a Les chlorophylles Chlorophylle b Dépôt Chromatographie sur papier

23 1.2 Les pigments Les chlorophylles Noyau tétrapyrrole de type porphyrine hydrophile Atome Mg central Une queue phytol sur le cycle IV hydrophobe Doubles liaisons conjuguées des cycles pyrroliques impliquées dans la réception de l E lumineuse Cycle sup. en V Molécule amphiphile associée à des protéines Chla : R = CH 3 II III V Chlb : R = CHO I IV Molécule de chlorophylle

24 1.2 Les pigments Spectre d absorption des pigments 100 Chla Chlb Caroténoïdes % 50 0 D après Botanique. Biologie et physiologie végétale Longueur d onde (nm) Spectre d absorption des différents pigments photosynthétiques

25 1.2 Les pigments Énergie (ev) Excitation des pigments Longueur d onde (nm) État triplet excité État singulet S État singulet S Durée de vie : 1ns État triplet métastable Cas de la chlorophylle a 800 État fondamental 0 % Absorption E = h.c λ Photon bleu : λ = 430nm donc E = 3eV Photon rouge : λ = 660nm donc E = 2eV Longueur d onde (nm) D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques

26 1.2 Les pigments Désexcitation des pigments Énergie (ev) (1ps) État triplet excité État singulet S2 3 Perte d énergie sous forme de chaleur (1ps) (2ns) État singulet S1 2 État triplet métastable Chaleur Fluorescence Transmission par résonance Phosphorescence e - État fondamental Cas de la chlorophylle a 0 Photon bleu Photon rouge (1ps) Chaleur (1ns) Acte D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques

27 1.2 Les pigments Transfert d énergie par résonance 100 Transfert d énergie par résonance Chla Chlb Caroténoïdes % 50 e - Acte Longueur d onde (nm) D après Botanique. Biologie et physiologie végétale Spectre d absorption des différents pigments photosynthétiques

28 1.2 Les pigments Rendement quantique de la photosynthèse Φ = Intensité PhS Q. Photons absorbée (µmol O 2 /s) (µmol photon/s) Rendement quantique (Φ) 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 10 photons / molécule O 2 Lumière rouge sombre (>680nm) inefficace pour la PhS Longueur d onde (nm) Rendement quantique de la photosynthèse

29 1.3 Les photosystèmes Les photosystèmes Exp d Emerson Deux systèmes pigmentaires (photosystèmes) : 1- Absorption jusqu à 680nm et permettant le dégagement d O 2 (PSII) 1- Absorption au-delà de 700nm et ne permettant pas le dégagement d O 2 (PSI) Effet de synergie!!

30 1 à 2 µm 1.3 Les photosystèmes Le chloroplaste Stroma Granum Lumen Membrane interne Membrane externe Thylakoïde Photosystèmes Les photosystèmes au sein du chloroplaste

31 1.3 Les photosystèmes Les photosystèmes Photosystème : Complexe de pigments et de protéines Lumière Antenne interne Centre réactionnel Antenne périphérique Antenne Caroténoïdes Chl Chl a Photosystème et captation de l énergie lumineuse Centre réactionnel e - Régénération Chl a Chl a* Chl a + e - Acte

32 1.3 Les photosystèmes Le photosystème II (PSII) Association en dimère Stroma LHCII LHCB CP 43 D1 Q A PQ D2 CP 47 CP 43 CP 47 LHCII LHCB Car Chla Chlb Car Chla P680 Car Chla Car Chla Chlb Lumen Tyr Tyr Complexe Z D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Structure du photosystème II Antenne collectrice périphérique Antenne interne Centre réactionnel Antenne interne Antenne collectrice périphérique Pigments Protéine

33 1.3 Les photosystèmes Le centre réactionnel du PSII Stroma D1 PQ D2 Q A Pheo D2 Chl D2 P D2 Pheo D1 P D1 Chl D1 Cyt b559 Chlz D2 Y D Y Z Chlz D1 Lumen Structure et fontionnement du centre réactionnel du PSII D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Tous les intermédiaires transportent 1 e - sauf Q B Trajet des e - Phéophytine = chlorophylle sans Mg Transfert d excitation

34 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le centre réactionnel du PSII -1,2 P680 + /P680* - 0,74V -0,8 Phéo D1 /Phéo D ,6V -0,4 Q A /Q A - - 0,1V PQ/PQH 2 0V 0 0,4 Fonctionnement du centre réactionnel du PSII 0,8 P680 + /P680 +1,1V 1,2 Potentiels rédox (V)

35 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le centre réactionnel du PSII -1,2 e - Recombinaison de charges!!! P680 + /P680* - 0,74V -0,8 P680* Chl D1 Séparation de charge!!! Phéo D1 /Phéo D ,6V -0,4 3 ps Phéo 300 ps e - Q A /Q A - PQ/PQH 2-0,1V 0V 0 Q A 1 ms PQ Saut de potentiel λ = 680nm (E = 1,84eV) 0,4 Fonctionnement du centre réactionnel du PSII 0,8 Donneur e - e - Tyr Z e - P680 + /P680 +1,1V 1,2 P680 Potentiels rédox (V)

36 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le centre réactionnel du PSII -1,2 e - Recombinaison de charges!!! P680 + /P680* - 0,74V -0,8 P680* Chl D1 Séparation de charge!!! Phéo D1 /Phéo D ,6V -0,4 3 ps Phéo 300 ps e - Q A /Q A - PQ/PQH 2-0,1V 0V 0 Saut de potentiel λ = 680nm (E = 1,84eV) Q A 1 ms PQ 0,4 Fonctionnement du centre réactionnel du PSII 0,8 2H 2 O O 2 + 4H + CZ Tyr Z P680 + /P680 +1,1V 1,2 e - P680 Potentiels rédox (V)

37 1.3. Les photosystèmes Association en trimère (grâce à L) Le photosystème I Fd Fd Stroma D C E LHCI A B Lumen - PC - - D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Structure du photosystème I PC Antenne collectrice périphérique Centre réactionnel + Antenne interne Protéines associées au coeur

38 1.3. Les photosystèmes Le centre réactionnel du PSI Fd D Stroma LHCI A F A F X F B E B A 0 A 1 A A 1 A A 0 P700 Lumen A 1 et A 1 : Phylloquinone A 0 et A 0 : Chla accepteurs primaires A et A : Chla accessoires P700 : Chla de la paire spéciale PC D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Structure et fonctionnement du PSI Trajet des e - Transfert d excitation

39 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le centre réactionnel du PSI P700 + /P700* - 1,3V -1,2-0,8 Fd ox /Fd red -0,42V -0,4 0 PC ox /PC red P700 + /P700 +0,42V +0,5V 0,4 Fonctionnement du centre réactionnel du PSI 0,8 1,2 Potentiels rédox (V)

40 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le centre réactionnel du PSI P700 + /P700* Fd ox /Fd red - 1,3V -0,42V -1,2-0,8-0,4 Saut de potentiel P700* e - 3ps A A 0 30ps λ = 700nm (E = 1,80eV) e - Séparation de charge!!! A 1 F X e - 100ns F AB Fd 0 Donneur e - PC ox /PC red P700 + /P700 +0,42V +0,5V 0,4 e - PC P700 Fonctionnement du centre réactionnel du PSI 0,8 1,2 Potentiels rédox (V)

41 1.4 La chaîne de transfert d électrons La Plastocyanine Petite protéine 10kDa Cu Atome de cuivre (métal de transition) -I Cu Cu + Cu 2+ 0 I II Degré d oxydation Structure de la plastocyanine

42 1.4 La chaîne de transfert d électrons Des intermédiaires entre le PSII et le PSI? hν hν Stroma LHCII D1 D2 Q A PQ P D2 P D1? LHCI D A A 0 C e - Fd F AB E B F X A 1 A 1 A 0 P700 Y Z Lumen Complexe Z PC 2H 2 O e - O 2 + 4H + PC D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Trajet des e -

43 1.4 La chaîne de transfert d électrons Les quinones Une queue polymère d isoprène Plastoquinone (oxydée) e - H + Semiquinone e - H + États d oxydation des quinones Plastoquinol (Réduite)

44 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le cycle des quinones Stroma Cyt b 6 f Site Q n Q A 2e - PQ PQ b h e - PQH 2 Site Q p e - b l e - e - RFeS Lumen PSI Cyt f PC Cycle des quinones PQ se situe dans une poche dans D2

45 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le cycle des quinones Stroma Cyt b 6 f Q A 2e - PQ PQ PQ PQH 2 Site Q n e - b h e - PQH 2 Site Q p e - b l e - e - RFeS Lumen PSI Cyt f PC Cycle des quinones PQ se situe dans une poche dans D2

46 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le cycle des quinones Stroma 2H + 2H + Cyt b 6 f Q A 2e - PQ PQ PQ PQH 2 Site Q n e - b h e - PQH 2 Site Q p e - b l e - e - RFeS Lumen PSI Cyt f PC 2H + Cycle des quinones PQ se situe dans une poche dans D2

47 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le cycle des quinones -1,2-0,8-0,4 PQ/PQH - 0,2V PQ/PQ 0V 0 PQH /PQH 2 0,3V Pc ox /PC red 0,42V 0,4 0,8 Cycle des quinones 1,2 Potentiels rédox (V)

48 1.4 La chaîne de transfert d électrons Le cycle des quinones -1,2-0,8-0,4 PQ/PQH - 0,2V PQ/PQ 0V 0 PQH e - b 6 b L e - b6 b H e - PQ PQH /PQH 2 0,3V PC ox /PC red 0,42V 0,4 PQH e - 2 e RFeS - e Cyt f - PC 0,8 Cycle des quinones 1,2 Potentiels rédox (V)

49 -1,2 1.5 Bilan La synthèse de pouvoir réducteur P700* A 0 A 1-0,8-0,4-0,32 0 Saut de potentiel P680* Phéo Q A PQ Saut de potentiel 4hν F X F AB Fd 2NADP +, H + 2NADPH 0,4 4hν B 6 -f PC P700 0,8 +0,82 2H 2 O O 2 + 4H + CZ Potentiels rédox (V) 1,2 4e - P680 D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques

50 1.5 Bilan La synthèse de pouvoir réducteur 2NADPH ph7 Stroma LHCII CP 43 CP 47 D1 D2 Q A PQ P D2 P D1 4hν 6/8H + PQ PQH 2 Cyt b 6 f b h b l RFeS 4hν LHCI D A A 0 4e - C A 1 2NADP +, H + Fd F AB F X P700 E B A 1 A 0 Fd FNR Y Z Complexe Z Cyt f PC PC 2H 2 O Lumen 4e - O 2 + 4H + ph4 6/8H + Gradient de H+ PC D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Trajet des e -

51 1.5 Bilan Le transport cyclique des électrons ph7 Transport cyclique 2NADPH 2NADP +, H + Stroma LHCII CP 43 CP 47 D1 D2 Q A Q B P D2 P D1 Y Z Complexe Z Fd/PQ Réductase H + PQ PQH 2 Cyt b 6 f Cyt f b h b l RFeS PC 4hν LHCI D A A 0 C A 1 e - PC Fd F AB F X P700 E B A 1 A 0 Fd FNR 2H 2 O Lumen 4e - O 2 + 4H + ph4 H + Gradient de H+ PC D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Trajet des e -

52 1.5 Bilan Régulation de la capture de l énergie lumineuse Zone granaire Zone agranaire Zone granaire Zone agranaire PSII PSII PSII PSI Signal = excès de PQH 2 PSII PSI Forte lumière Faible lumière LHCII

53 1.5 Bilan Rendement Énergie utilisée pour transférer 1 électron du P680 au NADP + : - 1 photon pour exciter le P680 (1,84eV) - 1 photon pour exciter le P700 (1,79eV) 3,63 V Énergie nécessaire pour transférer 1 électron du P680 au NADP + : - 1,1 (-0,32) = 1,42V Rendement : 1,42/3,63 = 39%

54 1.6 La synthèse d ATP L ATP Base azotée Sucre Phosphates Structure de l ATP AMP ADP ATP

55 1.6 La synthèse d ATP Synthèse d ATP Exp de Jagendorf et Uribe (1966) A l obscurité ADP+Pi + Mg 2+ Thylakoïde isolé ph7 ph4 Incubation à ph4 dans un milieu tamponné ph4 ph4 Pas de synthèse d ATP Incubation à ph4 dans un milieu tamponné ADP+Pi + Mg 2+ ph4 ph4 Transfert dans un milieu tamponné ph8 ph4 ph8 Synthèse d ATP

56 Exp : 1.6 La synthèse d ATP Synthèse d ATP [H + ] ph mètre Lumière blanche Suspension de thylakoïdes isolés Tampon sans ADP Obscurité Lumière Obscurité La [H + ] chute à la lumière

57 1.6 La synthèse d ATP L ATP synthase Stator (3α, 3β, δ, bb, a) ph7 H + Stroma Rotor (12c, γ) Gradient de H+ ph4 H + Lumen Flux de H + à travers l ATP synthase

58 1.6 La synthèse d ATP Synthèse d ATP ATP α ADP+Pi β β β α α β β β α ADP+Pi ADP+Pi Ouvert α Rotation de la sous-unité γ Relâché α ATP ADP+Pi ATP α β α β α β Les 3 états de la sous-unité β D après La Photosynhèse. Processus physiques, moléculaires et physiologiques Fermé

59 Rendement 1.6 La synthèse d ATP Synthèse d ATP 1 ATP nécessite 3 à 4H + Transfert d e - acyclique : (pour 1H 2 O soit 4e - transférés) 4 H + venant de H 2 O 6/8 H + venant des plastoquinones (par H 2 O) 2,5 à 3 ATP

60 Rendement Énergie utilisée pour transférer 1 électron du P680 au NADP + : - 1 photon pour exciter le P680 (1,84eV) - 1 photon pour exciter le P700 (1,79eV) 3,63V r G 0 = -350kJ/mol Énergie nécessaire pour transférer 1 électron du P680 au NADP + : - 1,1 (-0,32) = 1,42V r G 0 = 140kJ/mol Rendement : 1,42/3,63 = 39% Énergie générée par la synthèse d ATP lors du transfert d 1 électron du P680 au NADP + : - Soit 2,5 H + transféré vers le lumen = 2/3 ATP r G 0 = 22kJ/mol Rendement total : 48%

61 Les deux phases de la photosynthèse I biochimique 2H 2 O CO 2 hν Réactions s Intermédiaires e - Réactions biochimiques O 2 CH 2 O, H 2 O

62 2.1 Expériences historiques Cycle de Calvin I biochimique Exp de Calvin (1952) - Fixation au méthanol bouillant - Analyse par chromatographie bidimensionnelle Suspension de chlorelles CO 2, O 2 Glutamate Glycine Alanine Sérine Saccharose Trioses P Malate Aspartate APG Oses P Méthanol bouillant UDPG Oses dip Chromatographie bidimensionnelle (schéma récapitulatif théorique)

63 2.1 Expériences historiques Cycle de Calvin I biochimique Exp de Calvin (1952) - Chromatogramme 2D placé contre un film photographique et révélé Suspension de chlorelles CO 2, O 2 14 CO 2 1 er composé formé : APG Hyp : C 2 + CO 2 C 3 (APG) Méthanol bouillant Alanine APG APG Aspartate Trioses P Trioses P Oses P Malate APG 2s 5s 10s 30s RuBP Oses dip

64 2.1 Expériences historiques Cycle de Calvin I biochimique Exp de Calvin (1952) 1- Taux de CO 2 constant 2- Eclairement constant Radioactivité (UA) Radioactivité (UA) Lumière Obscurité 1% 14 CO 2 0% 14 CO 2 Hexoses RuBP APG RuBP APG Temps (min) Temps (min) Hyp : C 5 (RuBP) + CO 2 2C 3 (PGA)

65 2.2 Fixation du CO 2 et cycle de Calvin Fixation du CO 2 I biochimique H 2 O COOH CO 2 2 APG CHOH CH 2 O-P RuBisCo RuBP CH 2 O-P C=O Fixation du CO 2 par la Rubisco CHOH CHOH CH 2 O-P

66 2.2 Fixation du CO 2 et cycle de Calvin Cycle de Calvin I biochimique 6 CO 2 6 H 2 O COOH CHOH 2 x 6 ATP 2 x 6 ADP+Pi RuBisCo 2 x 6 CH 2 O-P APG COO-P CHOH CH 2 O-P C=O CHOH CHOH CH 2 O-P 2 x 6 ABPG 6 Pi 2 x 6 2 x 6 NADPH NADP + 6 CH 2 O-P RuBP CH 2 OH C=O CHO CHOH 6 ADP+Pi CHOH CHOH Régénération CH 2 O-P 2 x 6 Glycéraldéhyde 3 - P 6 ATP 6 CH 2 O-P Ru-5-P Hexose Cycle de Calvin

67 2.3 La Rubisco La RuBisCO I biochimique 4 petites sous-unités 8 grosses sous-unités SITES CATALYTIQUES 4 petites sous-unités Structure de la Rubisco ~ 10µM CO 2 ~ 10mM Mg 2+ ph 8 + Bonne illumination K M (CO 2 ) = 20µM K M (O 2 ) = 200µM (K M avec température)

68 2.3 La Rubisco La Rubisco comme oxygénase I biochimique CH 2 O-P C=O CHOH CHOH CH 2 O-P RuBP CH 2 O-P C-OH CHOH CHOH CH 2 O-P Enol O 2 CH 2 O-P HO-C-O-OH C=O CHOH CH 2 O-P 2-carboxy-3- cétoarabinitol-1,5-bp H 2 O CH 2 O-P COOH 1 P-glycolate COOH CHOH CH 2 O-P 1 APG

69 V (UA) 2.3 La Rubisco Paramètres cinétiques de la Rubisco I biochimique v max Carboxylation v max Oxygénation [S] (µm) 1Atm, 25 C dans l eau 13µM [CO 2 ] 250µM [O 2 ] D après Cousins A.B. Plant Cell environnement 2010 Dans le chloroplaste 7µM [CO 2 ] Variable [O 2 ] Dans le chloroplaste (stomates fermés) 1,8µM [CO 2 ]

70 2.3 La Rubisco I biochimique La Photorespiration 1,5 ATP + 1 NADPH /APG CH 2 O-P 2ATP 2 APG C=O CHOH CHOH 4 H 2 O 4 O 2 4 APG + 4 P-glycolate CH 2 O-P + O 2 2 glycérate 2NAD+ RuBP 4 P-glyoxylate 2NADH 2 pyruvate 2 sérine CO 2 4 glycine

71 2.4 La photorespiration I biochimique Les rôles possibles de la photorespiration Dérivation du cycle de Calvin Consommateur d énergie (diminue le rendement photosynthétique) Favorise la synthèse d acides aminés Rôle de détoxification? Évacuation du trop plein d énergie lumineuse Harley et Sharkey (1991).

72 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 I biochimique Le métabolisme C4 Plantes en C3 (Tomate) Plantes en C4 (Maïs) Radioactivité Radioactivité Oses mono-p Oses mono-p 3-APG Malate 3-APG Malate Charge en 14 CO 2 (3s) Temps Charge en 14 CO 2 (3s) Temps Le premier composé issus de la fixation du CO 2 est du malate (C4)

73 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 Le métabolisme C4 I biochimique Plantes en C3 (Tomate) CO 2 atm Rubisco 3-APG (sur C 1 ) Intermédiaires du cycle de Calvin Hexoses mis en réserve Une seule carboxylation Plantes en C4 (Maïs) Mésophylle CO 2 atm Malate (ou Asp) (sur C 4 ) Gaine périvasculaire CO 2 libéré Rubisco 3-APG (sur C 1 ) Intermédiaires du cycle de Calvin Hexoses mis en réserve Carboxylation primaire Carboxylation secondaire

74 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 Le métabolisme C4 I biochimique Plantes en C3 (Tomate) Plantes en C4 (Maïs) Face supérieure Parenchyme palissadique Vaisseaux conducteurs Gaine périvasculaire Tissu lacuneux Mésophylle Stomates Face inférieure Mésophylle Gaine périvasculaire Rubisco Cellules foliaires des plantes en C4 PEPC Rubisco

75 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 V (UA) Paramètres cinétiques de la Rubisco I biochimique Carboxylation Oxygénation [S] (µm) 1Atm, 25 C dans l eau 13µM [CO 2 ] 250µM [O 2 ] D après Cousins A.B. Plant Cell environnement 2010 Dans le chloroplaste (plante C3) 7µM [CO 2 ] Variable [O 2 ] Dans le chloroplaste (plante C4) µM [O 2 ] 2000µM [CO 2 ]

76 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 I biochimique Le métabolisme C4 Carboxylation primaire par la PEPC dans les cellules du mésophylle COOH C-O-P CH 2 CO 2 PEPC COOH C=O CH 2 COOH NADPH NADP + MDH COOH CHOH CH 2 COOH PEP AOA Malate

77 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 Le métabolisme C4 I biochimique Plantes en C4 (Maïs) Mésophylle CO 2 atm Malate (ou Asp) (sur C 4 ) C Pouvoir réducteur Gaine périvasculaire CO 2 libéré Rubisco 3-APG (sur C 1 ) Intermédiaires du cycle de Calvin ATP Pouvoir réducteur Hexoses mis en réserve Carboxylation primaire Carboxylation secondaire Mésophylle Gaine périvasculaire Rubisco PEPC Rubisco

78 2.5 Photosynthèse des plantes de type C4 Le métabolisme C4 I biochimique Bilan énergétique : Pour 1 CO 2 fixé - 2 NADPH - 3 ATP Pour réduire l ABPG 2 ATP pour former le ABPG 1 ATP pour régénérer le RuBP Dépendant du cycle de Calvin identique aux plantes en C3-2 ATP en plus (régénération du PEP) Si T >28 C : Efficacité de carboxylation Rubisco PhR Surcoût énergétique des C4 avantageux!!

79 2.6 Photosynthèse des plantes de type CAM I biochimique Saccharose Trioses-P Le métabolisme CAM Stomates fermés Chloroplaste Stomates ouverts Amidon Cycle Calvin CO 2 NADPH Amidon Jour Malate NADP + Pyruvate Nuit ATP Plantes succulentes : cactées, euphorbes, épiphytes (broméliacées) (Ananas, Vanille, Agave) Malate Vacuole Malate PEP PEPC Malate ATPase CO 2 atm

80 Conclusion I biochimique H 2 O CO 2 hν Réactions s Intermédiaires e - Réactions biochimiques O 2 CH 2 O Energie Constituants cellulaires

81 Conclusion I biochimique Détritivores Nécromasse Consommateurs II Consommateurs I Producteurs I Flux de matière D après Biologie de Campbell Flux d énergie Soleil