Captation de l’énergie lumineuse et réactions de la photosynthèse

Introduction

Les plantes chlorophylliennes synthétisent de la matière organique à partir d’éléments minéraux (CO2, H₂O…). Elles absorbent l’énergie lumineuse, et l’utilise à la synthèse des composés organiques, c’est la photosynthèse.

• Quelles sont les structures responsables de la captation de l’énergie lumineuse ?
• Comment se fait la transformation des éléments minéraux simples en matière organique riche en énergies ?

I – Captation de l’énergie lumineuse

1 – Extraction et séparation des pigments chlorophylliens

a – Extraction de la chlorophylle brute

• Placer dans un mortier un peu de sable fin. Ajouter des feuilles vertes bien coupées en morceaux et broyer à sec.
• Ajouter progressivement 10 ml l’alcool pour solubiliser les pigments et continuer à broyer 5 min.
• Filtrer le contenu du mortier afin d’obtenir une solution alcoolique de chlorophylle brute.

b – Séparation des pigments chlorophylliens

La figure suivante montre les résultats de la chromatographie sur papier de la chlorophylle brute.

Q – Que peut-on déduire de l’analyse des résultats de cette expérience ?

R – Analyse :

• Au début de l’expérience, on remarque sur le papier Watman un seul spot de chlorophylle brute.
• Après une heure, le solvant monte par capillarité dans le papier et entraîne les différents pigments solubles. Ils se séparent progressivement en fonction de leur vitesse de migration qui dépend de leur solubilité différentielle dans le solvant. Ainsi, on distingue à la fin 4 taches correspondant aux pigments chlorophylliens : 3 :chlorophylles a ; 4 : chlorophylle b ; 2 : xanthophylles et 1 : carotènes.

Conclusion : la chlorophylle des plantes vertes est constituée de plusieurs pigments chlorophylliens qui sont : la chlorophylle a, la chlorophylle b, les xanthophylles et les carotènes.

2 – Spectre d’absorption de la chlorophylle

a – Spectre d’absorption de la chlorophylle brute

La figure suivante présente une comparaison entre le spectre d’absorption de la chlorophylle brute (A) et le spectre de la lumière blanche (B).

Q – Que peut-on déduire de la comparaison entre les deux spectres (A et B).

R – On constate que, par rapport au spectre de la lumière blanche, le spectre d’absorption de la chlorophylle brute est incomplet, car on remarque le manque des radiations bleus et rouges.

Donc les pigments constituant la chlorophylle brute ont absorbé les radiations lumineuses bleus et rouges.

b – Spectres d’absorptions des différents pigments chlorophylliens

Chacune des radiations qui constituent la lumière blanche, se caractérise par une longueur d’onde exprimée en nanomètre.

Le spectrophotomètre permet de mesurer le niveau d’absorption de la lumière. Et ce en fonction des longueurs d’ondes pour un pigment donné.

Le graphique de la figure suivante présente les spectres d’absorption des pigments chlorophylliens.

Mais, ou se localisent-ils ces pigments chlorophylliens ?

3 – Ultrastructure du chloroplaste

Les pigments chlorophylliens se situent au niveau du chloroplaste, qui est un organite délimité par deux membranes (interne et externe) séparées par un espace inter-membranaire. La membrane interne délimite le stroma, qui renferme des vésicules closes de différentes formes appelées thylakoïdes. Les empilements de thylakoïdes forment des granum.

II – Conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique

1 – spectre d’action

Le spectre d’action correspond à l’intensité de la photosynthèse effectuée par une plante, en fonction de la longueur d’onde de la lumière qu’il reçoit.

La figure suivante présente une comparaison entre le spectre d’action et d’absorption d’une plante chlorophyllienne.

Q – Que peut-on déduire de la comparaison entre les deux spectres ?

R – On remarque que le spectre d’absorption et le spectre d’action d’une solution de chlorophylle brute se superposent.

Donc la lumière absorbée par les pigments chlorophylliens est utilisé dans la photosynthèse.

Remarque ; Ce sont les chlorophylles a et b qui sont les plus efficaces dans la photosynthèse.

2 – Conversion de l’énergie et notion de photosystème

Le schéma 1 montre le mécanisme de l’absorption et la conversion de l’énergie lumineuse, et le schéma 2 de la figure suivante montre l’organisation des pigments chlorophylliens dans la membrane du thylakoïde.

Q-1 – On vous basant sur le schéma 1, expliquez comment se fait la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique.

Q-2 – Décrivez l’organisation des pigments chlorophylliens au niveau de la membrane des thylakoïdes et donnez une définition au photosystème.

R-1 – Lorsqu’un pigment chlorophyllien absorbe de l’énergie lumineuse, il devient excité (par passage des e-. d’un niveau énergétique inférieur à un niveau énergétique supérieur). Une molécule excitée peut revenir à son état initial par trois manières différentes :

• Émission d’une quantité de haleur et d’une radiation lumineuse qui a une longueur d’onde plus longue par rapport à la longueur d’onde de la radiation absorbée. C’est la fluorescence.
• Transfert d’énergie à une autre molécule qui devient à son tour excitée. C’est la résonance.
• Stimuler le transfert des élections d’un donneur D vers un receveur R. C’est l’oxydation.

La chlorophylle est le seul pigment qui peut réaliser la réaction d’oxydation.

R-2 – organisation des pigments : on constate que les molécules de la chlorophylle a sont situés au milieu (c’est le centre réactionnel) et ils sont entourés par les autres pigments (antenne).

Le photosystème : est constitué d’un centre réactionnel et d’une antenne collectrice.

• Le centre réactionnel est constitué de chlorophylle a capable de céder ses électrons à un accepteur d’e-.
• L’antenne collectrice absorbe les photons et transmettent l'énergie vers le centre réactionnel.

III – Étapes de la photosynthèse

1 – mise en évidence des étapes de la photosynthèse

Les expériences de Gaffron (1951) : du dioxyde de carbone radioactif (14CO2) est fourni à une suspension d’algues unicellulaires fortement éclairée. Dans un premier temps on dose le CO2 fixé (graphe de gauche), dans un second temps on dose le dioxygène dégagé (graphe de droite).

Q-1 – Comparez entre la fixation du CO2 et le dégagement d’O2 durant l’exposition à la lumière et durant l’obscurité.

Q-2 – Que devrait-il se passer si la lumière est directement indispensable à l'incorporation de CO2 ?

Q-3 – Que peut-on conclure de cette étude ?

R-1 – Durant l’exposition à la lumière, la quantité de CO2 fixé et la quantité d’O2 dégagé sont élevées et restent constantes. À l’obscurité, la quantité d’O2 dégagé s’annule immédiatement, par contre la quantité de CO2 fixé diminue progressivement pour s’annuler après 20 s.

R-2 – Si la lumière est directement indispensable à l’incorporation de CO2, il faut que la quantité de CO2 fixé s’annule immédiatement après passage à l’obscurité.

R-3 – Les réactions de la photosynthèse peuvent être subdivisées en deux types :

• Les réactions lumino-dépendantes : qui sont responsables de la libération d’O2.
• Les réactions lumino-indépendantes : qui sont responsables de la fixation de CO2.

2 – La phase photochimique

a – La chaîne photosynthétique

La figure suivante présente un schéma explicatif du transfert d’e- dans la chaîne photosynthétique.

Sachant que les électrons passent des transporteurs à bas potentiel de réduction (réducteurs) aux transporteurs à fort potentiel de réduction (oxydants).

Q – Expliquez le fonctionnement de la chaîne photosynthétique.

R – Dans la phase photochimique de la photosynthèse, l’absorption de l’énergie du photon abaisse le potentiel de réduction des centres réactionnels (Ch a : P 680, P 700). On remarque deux sauts de potentiel de réduction dus à l’excitation des centres réactionnels des photosystèmes.

Lorsque les électrons se déplacent spontanément d’un composant à faible potentiel redox, vers un autre à fort potentiel redox ; Il y a libération d’énergie. En revanche les électrons ne peuvent pas se déplacer dans le sens inverse, sans apport externe d’énergie.

Ainsi, la chaîne photosynthétique exploite l’énergie lumineuse absorbée dans la photolyse de l’eau (donneur d’e-) et la réduction de NADP+ (accepteur final d’e-).

Lorsque les électrons se déplacent de PS II vers PSI, l’énergie du flux d’électrons est exploitée pour synthétiser d’ATP. Comment se fait la synthèse d’ATP ?

b – La synthèse d’ATP

Données expérimentales : On isole des thylakoïdes, après broyage des chloroplastes.

• On met une suspension de thylakoïdes dans un milieu à pH = 4. Après quelques minutes le pH du milieu et celui de la lumière des thylakoïdes deviennent égaux.
• On transfère les thylakoïdes dans un milieu à pH = 8, en présence d’ADP et du Pi.

Les résultats de cette expérience sont présentés par la figure suivante.

Remarque : cette expérience est réalisée à l’obscurité.

Q – Sachant que la synthèse d’ATP nécessite de l’énergie (réaction endergonique), et en vous basant sur l’analyse des résultats de cette expérience. Expliquez le mécanisme de la synthèse d’ATP par les thylakoïdes.

R – On constate que le facteur qui stimule la synthèse de l’ATP est la différence de la concentration des ions H+ entre la lumière des thylakoïdes ([H+] interne > [H+] externe). Ainsi, l’énergie nécessaire à la synthèse d’ATP est fournie par le flux des ions H+ vers l’extérieur des thylakoïdes à travers l’ATP synthase.

L’ATP synthase est donc un canal à protons, et en même temps un enzyme qui catalyse la synthèse de l’ATP.

Remarque ; la membrane des thylakoïdes est imperméable aux ions H+, sauf au niveau de l’ATP synthase.

Bilan :

Les réactions lumino-dépendantes se réalise au niveau de la membrane des thylakoïdes.

L’absorption de la lumière par PS II conduit à sa libération des e-, qui sont transférés par la chaîne de transport vers le centre réactionnel du PS I.

Les électrons perdus du PS II sont donc remplacés par ceux provenant de la photolyse de la molécule d’eau (H₂O → 1/2 O2 + 2H+ + 2e-).

Lors du passage des électrons, il y aura aussi passage d’ions H+ du stroma vers l’espace intra-thylakoïdien. Ces ions diffuseront vers le stroma en passant par l’ATP synthase. Donc, il y aura production d’ATP (ADP + Pi → ATP).

Le PS I a, lui aussi, perdu des e-. qui les cède à une autre chaîne de transport, qui les conduira vers le NADP+. Le NADP+ est le dernier accepteur d’e- et se transforme en NADPH, H+ (NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH, H+).Les électrons perdus du PS I sont donc remplacés par ceux provenant du PS II.

3 – La phase obscure

a – La fixation du CO2 se fait à plusieurs étapes

Expérience de Calvin : À l’aide du dispositif présenté par la fig 1 suivante, il est possible de mettre des algues vertes unicellulaires (chlorelles) en contact avec du CO2 marqué au carbone 14 pendant un temps connu.

Les petites molécules organiques sont extraites et séparées sur une chromatographie bidimensionnelle, la révélation par des réactifs appropriés permet de les reconnaître.

Les chromatographies réalisées sur des chlorelles mises en contact avec le CO2 radioactif pendant des temps variés sont recouvertes, à l’obscurité, par une plaque photographique (autoradiographie). La plaque est ensuite révélée. La comparaison avec la chromatographie colorée permet de connaître les substances qui ont incorporé le carbone radioactif (fig 2).

Q – Que peut-on conclure des résultats de cette expérience ?

R – Les résultats montrent que le premier corps formé après seulement 5 secondes est l'acide phosphoglycérique (APG). L’APG est un corps à 3 carbones. Les corps formés ensuite sont des oses phosphorylés. L’un d’entre eux, le ribulose diphosphate (RudiP), ose à 5 carbones joue un rôle essentiel dans les premières étapes de la photosynthèse. Plus tardivement, du saccharose, du malate et divers acides aminés sont marqués.

b – Cycle du Calvin

La fixation du CO2 se fait dans le stroma. C’est la dernière étape de la photosynthèse où l'ATP et le (NADPH, H+), produits pendant les réactions photochimiques, sont utilisés. Cette fixation se fait par une succession de réactions qui constituent le cycle de Calvin. Ce cycle peut être divisé en 3 étapes :

• Fixation du CO2 : Durant cette phase, une molécule de RudiP s'associe avec une molécule de CO2. Il en résulte deux molécules d’APG.
• Réduction : À partir de APG, Il y a production d’un triose phosphate, G3P, avec consommation d’énergie sous forme d’ATP ; et oxydation de NADPH, H+.
• Régénération du RudiP : À travers une série de réactions biochimiques qui consomment de l’énergie sous forme d’ATP ; Il y a régénération de RudiP à partir de G3P.