3 La photosynthèse : un processus complexe en 2 phases. Diverses expériences d'incorporation de CO2 par des chlorelles (algues unicellulaires) ont permis de mettre en évidence que l'ensemble des réactions composant la photosynthèse peut être décomposé en deux groupes : Des réactions mettant directement en jeu la lumière - on parle de phase photochimique de la photosynthèse ; Des réactions plus lentes, sans utilisation directe de la lumière - on parle de phase biochimique de la photosynthèse. a) existence de deux types de réactions. Expériences d'emerson et Arnold (1932) : Ces expériences ont été réalisées sur des algues vertes unicellulaires (Chlorelles) en suspension. L incorporation du CO 2 est mesurée en lumière intermittente à l'aide d'un tube-néon intense qui produit des éclairs brefs (10 µs) séparés par des intervalles variables d obscurité (entre 1 et 40 ms).(1, 2, 3) Expérimentalement, chaque mesure est réalisée pour un total de 10 000 éclairs de 10µs (soit un total de 1s de lumière) et des durées de périodes sombres comprises entre 100 s et 4000 s (soit un total d'obscurité compris entre 1,6 à 64 minutes). Influence de la durée de la période sombre sur la photosynthèse nette de chlorelles soumises à une lumière intermittente (éclairs de 10 µs). La durée totale de l'éclairement est constante. - A 25 C : une période sombre totale d environ 20 ms (2000 fois plus importante) pour obtenir une photosynthèse nette maximum. - A 5 C, la durée de la période sombre augmente, mais la photosynthèse nette maximale est la même. Conclusion : dans les conditions de cette expérience (éclairement total bref et saturant), il faut une période sombre importante pour obtenir une photosynthèse maximale. Ceci suggère que des intermédiaires sont formés à la lumière rapidement (de manière quasi insensible à la température) = réactions photochimiques, et qu'ils sont utilisés beaucoup plus lentement par des réactions chimiques (sensibles à la température) = réactions biochimiques d"assimilation du CO 2. Remarque :On parle de façon abusive de réactions dites "claires" et "sombres, mais, dans les conditions normales (lumière continue), ces deux groupes de se déroulent conjointement à la lumière. Donc, il faut préférer les termes de "réactions photochimiques" et de "réactions biochimiques d"assimilation du CO 2 " respectivement. b) La 1 er phase : une phase photochimique, initiée par la lumière. - L expérience de Hill : La production d O2 nécessite un accepteur d électrons. Hill utilise une suspension de chloroplastes isolés dans un tampon sans CO2. Il mesure les variations de dioxygène à l'aide d'une électrode à oxygène. Il ajoute à la préparation un accepteur artificiel d'électrons, le ferricyanure de potassium, K 3 Fe 3+ (CN) 6 (réactif de HILL) et travaille en lumière continue.
Le réactif de Hill se comporte comme un accepteur d'électron : Fe 3+ + e - Fe 2+ En absence de CO2, les chloroplastes sont capables de libérer du dioxygène, à condition qu'un accepteur d'électron (Fe 3+ ) soit présent dans le milieu. http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/photosynthese/ex p44.html Dans les conditions naturelles de la photosynthèse, ce rôle d'accepteur d'électron est rempli par un couple redox : noté R + /RH 2. Le couple R + /RH 2 joue ainsi le rôle d'intermédiaire entre l'oxydation de l'eau et la réduction du CO2. NB : Il existe en fait une série de couples redox qui transfèrent successivement les électrons jusqu à un accepteur final, le long d une chaîne d oxydo-réductions. (Phénomène énergétiquement plus efficace : libération progressive d énergie) - Des résultats d expériences montrent la synthèse d une molécule «énergétique» dans le stroma. On note dans le stroma, suite aux réactions précédentes, l augmentation de la concentration d une molécule : l ATP (Adénosine Tri Phosphate) dans certaines conditions. l ATP est composée de : -Une base azotée (adénine) -Un sucre en C5 (ribose) -3 groupements phosphate. http://pedagogie.ac-amiens.fr/svt/info/logiciels/animmetabo/atp.htm Cette molécule "riche en énergie" permet, par hydrolyse, la libération d'énergie ou par phosphorylation, la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique potentielle; en définitive elle participe aux transferts d'énergie dans la cellule. Animation : http://pedagogie.ac-amiens.fr/svt/info/logiciels/animmetabo/hydratp.htm
On note que l on peut superposer le % d absorption et l incorporation du 32 P. L incorporation de ce phosphate marqué par l ADP signe la synthèse d ATP. Ces 2 phénomènes sont liés, ainsi l absorption des radiations efficaces (bleue et rouge) par les chloroplastes se traduit par la synthèse d ATP, molécule «riche» en énergie. Sachant que ces radiations efficaces sont absorbées par les pigments chlorophylliens, on peut considérer que c est l énergie lumineuse, captée par la chlorophylle (brute) qui initie cette synthèse d ATP (qui nécessite de l énergie) - Recherche des conditions de synthèse d'atp par une solution de chloroplastes On réalise une série d'expériences, dont les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous, sur des solutions de chloroplastes. Des chloroplastes intacts, extraits de cellules, sont placés dans quatre milieux dont les conditions (composition et éclairement) diffèrent d'une expérience à l'autre. On prépare également un milieu sans chloroplastes. Dans chaque milieu, on cherche à mettre en évidence après quelques minutes la formation d'atp. Conditions Milieux Eau ADP Pi Lumière Oxydant (R) Formation d'atp Milieu 1 + + + + + oui Milieu 2 + + + - + non Milieu 3 + + - + + non Milieu 4 + - + + + non Milieu 5 + + + + - non Milieu sans chloroplastes + + + + + non Pi : phosphate inorganique + signifie présence et - signifie absence. La formation de l ATP nécessite : - Le précurseur de l ATP (milieu 4) ADP - Des Pi, (groupement phosphate) qui permet la synthèse d ATP (milieu 3) - De la lumière (milieu2) qui initie les réactions de la phase «claire» en initiant la chaîne de transfert d e-. - Un oxydant (milieu 5) accepteur d e- qui accepte l e- libéré à partir de la chlorophylle excitée par la lumière. http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/photosynthese-cours/07-doublereaction.htm Ainsi la phase claire se caractérise - Par la réduction d un accepteur d e- (R+) - Par la synthèse d ATP Ces intermédiaires marquent le bilan de cette phase.
BILAN DE LA PHASE PHOTOCHIMIQUE La phase photochimique, dite claire, de la photosynthèse est une suite de réactions complexes nécessitant de la lumière et se déroulant dans la membrane des thylakoïdes. L absorption de photons par les pigments localisés dans la membrane des thylakoïdes constitue un apport d énergie qui permet un ensemble de réactions d oxydo réduction successives. Ces réactions sont réalisées grâce à des enzymes. L ensemble «protéines-pigments» est appelé chaîne photosynthétique. 1. Excitation des pigments photosynthétiques et libération d'électrons: Quand un photon lumineux est absorbé par une molécule de chlorophylle a, un électron est libéré; celui-ci change alors d'orbite en élevant son niveau d'énergie. La molécule de chlorophylle a passe alors à l'état excité en donnant un électron: Chlorophylle a -----> e - (oxydation) Cet électron instable est piégé par un accepteur d'électrons qui est réduit: T + + e - --------> T (réduction) NB : L'état excité se propage aux molécules voisines qui constituent une "antenne collectrice", située dans les membranes des thylakoïdes, qui récupèrent et transmettent les électrons aux pigments photosynthétiques organisés en photosystèmes. 2. Transit des électrons à travers les photosystèmes de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes. (Hors programme) Les électrons transitent à travers les photosystèmes (ensemble de pigments) de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes. Le premier accepteur d'électrons les transfère le long d'une chaîne de réactions d'oxydo-réduction (chaîne photosynthétique) jusqu'à un dernier accepteur d'électrons qui est alors réduit: R+ (forme oxydée) + 2H + + 2e - --------> RH 2 (forme réduite) (2) 3. Régénération du donneur d'électrons et photolyse de l'eau Pour fonctionner à nouveau la molécule de chlorophylle a, oxydée, devra revenir à l'état réduit en empruntant l'électron perdu à un autre donneur d'électrons; c'est la molécule d'eau qui fournit cet électron en subissant une oxydation ou photolyse de l'eau: H 2 0 ----- > 2 H + + 1/2 O 2 + 2e - (1) Conclusion: le dioxygène formé et rejeté par les végétaux chlorophylliens sous forme gazeuse est un "déchet" de la photosynthèse; il provient de la photolyse de l'eau dans les chloroplastes. Les protons formés H + s'accumulent dans la cavité des thylakoïdes et il se crée une différence de concentration ou gradient de protons entre la cavité des thylakoïdes et le stroma des chloroplastes. 4. Établissement d'un flux de protons qui active une une ATP synthétase (enzyme active au niveau de la membrane du thylakoïde) Approfondissement : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/photosynthese-cours/15-atpsynthase.htm Animation : http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/atpsyn1.swf Ainsi s'accumulent des protons H + dans le stroma; ils serviront à la régénération de R: RH 2 (forme réduite) ----> R (forme oxydée) + 2H + + 2e -
5. Photophosphorylation de l'atp C'est la synthèse de l'adénosinetriphosphate à partir de l'adénosinediphosphate et d'une molécule de Phosphate inorganique Pi; l'énergie nécessaire à la formation d'atp est fournie par les électrons à haute énergie qui quittent les photosystèmes (c'est une réaction qui consomme de l'énergie). ADP + Pi + énergie -----> ATP (3) Résumé: la lumière provoque: - L excitation de la chlorophylle, qui libère un e (récupéré par une chaîne de transfert d e jusqu à l accepteur final : R+) - La photolyse de l'eau, source de protons et d'électrons (qui sont cédés à la chlorophylle pour qu eele retrouve sont été stable) mais aussi du dioxygène libéré au cours de la photosynthèse (1) - Le transfert des électrons le long d'une chaîne photosynthétique (2) - La formation et le maintien d'un flux de protons indispensable à la formation de molécules énergétiques (ATP) (3) Attention des notions hors programme http://www.defl.ca/~debloisj_dev/cellules/cont enu/cellule13.html