4)FONCTIONNEMENT

La photosynthèse est le processus responsable de la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique au niveau de la plante, autrement dit au processus permettant de synthétiser de la matière organique (sucres) à partir de la lumière du soleil. Elle se réalise au niveau des chloroplastes qui sont des organites cellulaires spécialisées, et permet une consommation de dioxyde de carbone et d’eau afin de produire du dioxygène et des molécules organiques telles que le glucose. Pour se faire la photosynthèse se réalise en deux grandes phases, la phase claire et la phase sombre.

La phase claire est un ensemble de réactions photochimiques, qui dépendent de la lumière, et au cours desquels les électrons sont transportés à travers les deux photosystèmes (PSI et PSII) afin de produire de l’ATP (molécule riche en énergie) et du NADPH + H+ (potentiel réducteur). La phase claire permet donc directement la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique.

La phase sombre correspond au cycle de Calvin, entièrement enzymatique et indépendante de la lumière, au cours duquel l’ATP et le NADPH + H+ sont utilisés pour la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en glucides. Cette seconde partie permet l’assimilation du gaz carbonique.

A) Phase claire.

La terre baigne dans la lumière solaire. Les photons solaires mettent huit minutes à faire le trajet. Le principe de la phase claire est de capter l’énergie lumineuse des photons et de la transmettre, via des électrons chargées de cette énergie, à une chaîne d’accepteur d’électrons (molécules ayant des potentiels d’oxydoréduction variables) on parle de phase photochimique. La phase claire nécessite donc de la lumière et aboutie à la formation de deux molécules : ATP et NADPH.

1) Structure des photosystèmes

Les photosystèmes sont les centres photorècepteurs de la membrane des thylakoïdes contenus dans les chloroplastes. Ils sont constitués d'une antenne collectrice et d'un centre réactionnel situé au centre de l'antenne. L'antenne collectrice permet de capter l'énergie lumineuse grâce à des pigments de plusieurs types : chlorophylle a, b et carotènoïde. L'énergie captée est transmise au centre réactionnel qui est un emplacement spécialisé constitué d'amas de pigments contenant seulement une paire de chlorophylle a capable de céder ses électrons à l’accepteur primaire, premier accepteur de la chaîne d’accepteurs d’électrons. L’accepteur primaire du photosystème I (PSI) est la chlorophylle A et du photosystème II (PSII) est la phéophytine. La chaîne d’accepteurs d’électrons permet le transport des électrons de molécule en molécule dans le sens de l’augmentation du potentiel.

Au cours de la phase claire, les électrons sont tout d’abord fournis par l’eau au photosystème II (PSII), puis par la suite ils sont transmis au photosystème I (PSI). En effet c’est bien le photosystème II qui démarre la photosynthèse. Le photosystème II (PSII) présente un complexe moléculaire appelé P680 et le photosystème I (PSI) présente un complexe moléculaire appelé P700.

2) Le mécanisme des photosynthèses.

a) Le photosystème II (PSII)

L’énergie lumineuse est tout d’abord absorbée par l’antenne collectrice qui transmet ensuite son énergie au complexe P680. La chlorophylle « a » présente dans le complexe P680 libère alors les électrons qui seront captés par l’accepteur primaire (chlorophylle A = chlorophylle « a ») et transportés par la chaîne d’accepteurs d’électrons.

Ces électrons passent ensuite par le complexe de cytochromes où ils induisent le passage de protons du stroma vers l’espace intra-thylakoïdien. Les protons ainsi accumulés forment ce que l’on appelle le gradient de protons, qui permettra à l’ATP synthétase de produire de l’ATP.

En quittant le complexe de cytochromes, les électrons sont transmis au photosystème I (PSI).

La chlorophylle « a » du P680 a donc perdu des électrons qu’elle doit récupérer pour continuer à fonctionner ; ils lui sont fournis via la photolyse de l’eau.

b) Le photosystème I (PSI)

La poursuite de la photosynthèse nécessite encore de l’énergie lumineuse qui sera absorbée par l’antenne collectrice et qui sera transmise au complexe P700.

Le rôle du complexe P700 sera de charger en énergie les électrons transmis par le complexe des cytochromes. Ces électrons seront captés par l’accepteur primaire (phéophytine) et seront transportés par la chaîne d’accepteurs d’électrons jusqu’à la ferrédoxine. Elle-même les transportera jusqu’à la NADP réductase qui réduira le NADP+ en NADPH + H+. La chlorophylle « a » du P700 a donc perdu deux électrons qu’elle doit récupérer pour que le système fonctionne ; ces électrons lui sont fournis par le PSII.

3) Transport des électrons dans la phase claire

a) La photolyse de l’eau et le transport non cyclique des électrons

Au niveau du PSII va s’opérer une étape majeure de la photosynthèse : la photolyse de l’eau. A chaque fois que PSII est photo-oxydé, l’eau lui fournit un électron pour compenser la perte qu’il vient de subir et permettre sa régénération. L’eau est donc le donneur d’électrons primaire de la photosynthèse.

La molécule d’eau doit ainsi subir une réaction d’oxydation sous l’action de la lumière. Cette réaction sera à l’origine de la libération d’électrons de protons et d’oxygène. Les électrons seront capturés par le PSII, les protons produits iront s’accumuler dans l’espace intra-thylakoïdien pour participer au gradient de proton, et l’oxygène sera libéré dans l’atmosphère. L’oxygène est donc un déchet de la photosynthèse.

L’électron au cours de ces différents transferts perd un peu d’énergie. Cette énergie est utilisée par certains transporteurs pour amener des protons H+ du stroma (espace extra-thylakoïdien) vers l’espace intra-thylakoïdien.

La sève élaborée, qui contient des substances organiques solubles, principalement des acides aminés et des sucres, provient essentiellement des feuilles siège de la photosynthèse et circule principalement dans le phloème, tissu conducteur du liber, situé juste sous l'écorce.

b) Le transport cyclique des électrons

Les électrons peuvent suivre un trajet cyclique qui n’implique que le photosystème I. La ferrédoxine, au lieu de fournir les électrons à la NADP réductase, va les transmettre à la plastoquinone (PQ) par l’intermédiaire d’un cytochrome. Les électrons suivent alors la première chaîne de transporteurs qui les fait revenir au photosystème I, où ils vont combler les vides qu’ils avaient laissés. Ce trajet cyclique permet d’accumuler des protons supplémentaires dans l’espace intra-thylakoïdien sans réduire de NADP+ mais en favorisant la production d’ATP (relargué au niveau du stroma).

B) Phase sombre

La phase sombre correspond à la phase d’assimilation du CO2 qui utilise les molécules énergétiques produites lors de la phase claire et qui est réalisée de manière cyclique. Ce cycle est appelé cycle de Calvin et il se déroule dans le stroma du chloroplaste.

L’assimilation du CO2 se fait en quatre étapes principales dont les trois premières se déroulent au sein du cycle de Calvin

• Fixation du CO₂ (carboxylation).
• Réduction du carbone fixé.
• Régénération de l’accepteur de CO₂.
• Synthèse des sucres.

1) Le cycle de Calvin

a) Fixation du CO₂

La première molécule du cycle de Calvin est le ribulose-biphosphate (RuBP) possédant 5 carbones. La fixation du CO2 sur cette molécule nécessitera l’utilisation d’une enzyme appelée la Rubisco (pour Ribulose Biphosphate Carboxylase Oxygénase). Cette enzyme permettra la formation d’une molécule instable à 6 carbones qui donnera rapidement deux molécules de 3-phosphoglycérate à 3 carbones.

MODE D’ACTION DE LA RUBISCO :

Comme son nom l’indique, la Rubisco possède deux activités catalytiques :

• La première correspond à son activité carboxylase qui permet, à partir du RuBP, la formation de deux molécules d’acide phosphoglycérique.
• La deuxième correspond à son activité oxygénase qui permet, à partir du RuBP, la formation d’une molécule d’acide phospho-glycolique et d’une molécule d’acide phosphoglycérique (PGA). Cette seconde activité freine donc la photosynthèse, ne permettant pas la poursuite du cycle de Calvin.

On se demande alors dans quelle condition chacune sera active. Pour répondre à cette question il est essentiel de prendre en compte deux facteurs : tout d’abord l’activité dominante en quantité équivalente d’oxygène et de dioxyde de carbone, puis l’environnement dans lequel la plante est placée.

En effet l’activité dominante en quantité équivalente d’oxygène et de dioxyde de carbone est la carboxylase, car l’affinité de cette enzyme pour le CO2 est plus importante que l’affinité pour l’O2. Par contre l’atmosphère est bien plus chargée en O2 qu’en CO2 obligeant la Rubisco à fonctionner en oxygénase.

Il est important de préciser que l’activité de la Rubisco varie également face à des variations de température. En vertu d’une propriété intrinsèque de cette enzyme et aussi à cause de l’effet différentiel de la température sur la solubilité du CO2 et de l’O2, le rapport de l’activité oxygénase sur l’activité carboxylase de la Rubisco varie dans le même sens que la température. Autrement dit la fixation du CO2 par cette enzyme est favorisée à de faible température.

b) Réduction du carbone fixé

La deuxième phase du cycle de Calvin correspondra à la réduction du 3-phosphoglycérate. Celui-ci sera tout d’abord phosphorylé par de l’ATP pour donner l’acide biphospho-glycérique, qui sera lui-même réduit par le NADPH pour formé le 3-phosphoglycéraldéhyde (G3P) qui est un sucre.

c) Régénération de l’accepteur de CO₂

Le G3P formé peut avoir différentes destinées ; un sixième de celui-ci sera utilisé par la cellule comme composant glucidique (cf. suite du cours) et les cinq sixièmes restant seront utilisés pour poursuivre le cycle de Calvin.

La reformation du RuBP, qui sera réutilisée pour fixer le CO2, se fera en plusieurs étapes et nécessitera l’utilisation d’ATP.

2) Synthèse des sucres

Comme vu précédemment, un sixième du 3-phosphoglycéraldéhyde (G3P) produit dans le cycle de Calvin va entrer dans les réactions métaboliques de la plante, dans lesquelles ils seront principalement transformés en glucides :

• Soit sous forme de saccharose (α-Glu-Fruct) qui est la forme de transporté dans la sève élaborée.


• Soit sous forme d’amidon qui est la forme de mise en réserve (α-1,4-Glu).

La sève élaborée, qui contient des substances organiques solubles, principalement des acides aminés et des sucres, provient essentiellement des feuilles siège de la photosynthèse et circule principalement dans le phloème, tissu conducteur du liber, situé juste sous l'écorce.

3) Bilan

Par molécule de CO2 incorporée on a donc consommation de 3 ATP et de 2 NADPH.

Or il se trouve que les glucides de base entrant dans les mécanismes énergétiques sont des hexoses. Pour la formation d’un de ces hexoses, il faut donc 6 molécules de CO2 fixées, avec 6 tours de cycle et la consommation de 18 ATP et 12 NADPH. Le rendement est donc très faible.

6CO₂ + 12H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O.

C) Les types de plantes

1) Les plantes en C3

La majorité des plantes sont dites en C3, utilisant des molécules à trois carbones pour la formation de leurs sucres. Elles vivent principalement dans des milieux tempérés.

Au niveau de ces plantes, la vitesse de fixation du CO2 croît linéairement avec l’augmentation de l’intensité lumineuse, jusqu’à un certain seuil appelé intensité lumineuse saturante, qui correspond à la vitesse maximale d’assimilation du CO2 et qui est représentée par un plateau exprimé en pourcentage de l’ensoleillement maximal.

Cette proportionnalité est due au fait que la lumière joue un rôle important dans la régulation de l’ouverture des stomates, indispensable à l’assimilation du CO2. On est donc face à deux situations :

• Lorsque la lumière est suffisante, l’intensité lumineuse saturante est dépassée et c’est alors la teneur en CO2 qui sera le facteur limitant de la photosynthèse.
• Si par contre la lumière n’est pas suffisante, c’est elle qui sera le facteur limitant de la photosynthèse.

Il est important de préciser que généralement l’intensité lumineuse saturante des plantes en C3 est très basse et ceci est du au fait que l’activité carboxylase de la Rubisco est lente, empêchant une importante assimilation de CO2. C’est donc ici, principalement la teneur en CO2 qui sera le facteur limitant de la photosynthèse.

2) Caractéristiques des plantes en C4 et CAM

Certaines plantes, vivant dans des environnements plus contraignants que les plantes en C3, ont ainsi développées des alternatives face à ces limitations, afin de préserver une certaine activité photosynthétique, c’est le cas des plantes en C4 et des plantes CAM.

Les plantes en C4 vivent également en milieu tempéré mais dans des conditions particulières : sols salés, … Les plantes CAM vivent en milieu aride et correspondent à des plantes grasses.

a) Les plantes en C4

Les plantes en C4 ont la caractéristique de pouvoir augmenter leur assimilation de CO2 par une réaction supplémentaire réalisée dans le cytoplasme. Elles utilisent ainsi toujours des molécules à trois carbones mais utilisent en plus des molécules à quatre carbones qui joueront le rôle de stock provisoire de CO2.

Au cours de cette réaction supplémentaire le CO2 se fixera sur le Phosphoénolpyruvate (PEP, molécule à trois carbones) pour donner une molécule à quatre carbones, l’oxaloacétate, qui est réduit en malate sous l’action de NADPH. Le malate donnera du pyruvate et du CO2 qui sera réutilisé dans le cycle de Calvin.

Les plantes en C4 peuvent ainsi enrichir l’environnement de la Rubisco en CO2, mais ceci nécessite une consommation plus importante en ATP. Le fait d’augmenter la concentration en CO2 permet une diminution de l’activité oxygénase de la Rubisco qui agit ainsi essentiellement en carboxylase, augmentant le rendement photosynthétique.

Les plantes en C4 ont donc une capacité relativement élevée de fixation du CO2 et ceci grâce à la PEP carboxylase (Phospho-énol-pyruvate-carboxylase) qui est une enzyme rapide. Elles peuvent donc utiliser de très fortes intensités lumineuses, leur intensité lumineuse saturant étant normalement élevé. Ce n’est donc ici pas la concentration en CO2 qui constitue le principal facteur limitant de l’efficacité photosynthétique, mais une faible intensité lumineuse.

b) Les plantes CAM

Les plantes CAM (pour Crassulacean Acid Metabolism) sont des plantes vivant en milieu aride, nécessitant une économie en eau et donc une régulation fine de la transpiration. Elles utilisent exactement la même réaction supplémentaire que les plantes en C4 et se distinguent donc de celles-ci par une assimilation nocturne du CO2. Cette dernière est permise par la caractéristique des plantes CAM de pouvoir ouvrir leurs stomates la nuit. Le CO2 est ainsi stocké sous la forme de malate, qui sera utilisé le jour quand la phase claire aura lieu.

La consommation énergétique est ici encore plus importante que les plantes en C4, et permet en plus de maintenir les stomates fermés pendant la nuit, limitant au maximum les pertes d’eau par transpiration.

2) Différences entre les plantes en C3, C4 et CAM

• Pour les plantes en C3 la photosynthèse se réalise au niveau des cellules palissadiques.
• Pour les plantes en C4 les réactions se réalisent autour des faisceaux libéroligneux, au niveau desquels se trouvent deux rangées de cellules :
• La première rangée forme la couronne externe dans laquelle se fait la réaction supplémentaire.
• La deuxième rangée forme la couronne interne qui récupère le CO2 de la couronne externe et qui dans laquelle se passe la photosynthèse.
• -->On observe donc ici une séparation spatiale de la production et de la concentration de CO2 avec les réactions photosynthétiques.
• Pour les plantes CAM la séparation, entre la production et concentration de CO2, et les réactions rentrant en compte dans les mécanismes de la photosynthèse, est temporelle.

3) Subsistance des plantes en C3

Nous avons vu jusqu’alors que les plantes en C4 et les plantes CAM possèdent des alternatives ingénieuses afin d’augmenter leur activité photosynthétique. Elles sont ainsi favorisées dans les milieux de vies contraignants (climat chaud et sec, sols à potentiel hydrique bas, …), et ceci grâce à leur enzyme rapide, la PEP carboxylase.

On peut alors se demander pourquoi les plantes en C4 et CAM n’ont-elles pas supplantées les plantes en C3. Pour répondre à cette question il faut prendre en compte les propriétés de la Rubisco face à des variations de température. En effet, en vertu d’une propriété intrinsèque de cette enzyme et aussi à cause de l’effet différentiel de la température sur la solubilité du CO2 et de l’O2, le rapport de l’activité oxygénase sur l’activité carboxylase de la Rubisco varie dans le même sens que la température.

Une augmentation de température diminue donc d’autant la capacité de fixation de l’enzyme vis-à-vis du CO2, touchant de manière importante les plantes en C3, mais pas les plantes en C4 et les plantes CAM qui sont quasiment insensible à de telles influences, en raison du gradient de concentration du CO2. A des températures supérieures à 30°C ce sont donc les plantes en C4 et les plantes CAM qui sont favorisées.

Par contre, lors d’une diminution de température, en dessous de 25°C, les plantes en C3 ont un rendement plus élevé que les plantes en C4.

Fiche du protocole de l’expérience de Hill

Matériel

Feuilles fraîches persil
Tampon refroidi a 2 et -4°contenant un osmoticum (saccharose 0.4 M) pour préserver l’intégralité des chloroplaste, réactif de Hill (le ferricyanure de potassium.)
Mortier, pilon, pipette de 10ml, éprouvette de 25ml, petite seringue
Cristallisoir, et entonnoir.
Paire de ciseaux, filtre gaze, petit erlenmeyer enveloppé de papier aluminium et placé dans un cristallisoir rempli de glaçons.

Mode opératoire du broyage et de l’extraction

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Protocole

Lancez le logiciel EXAO

Deux courbes ont été faite une avec le réactif de Hill et l’autre sans.

Graphique

Pendant la phase sombre avec ou sans le réactif de Hill le taux en oxygène diminue. (Respiration cellulaire).
Sans les mitochondries le taux d’oxygène serais resté constant.
Pendant la phase claire sans le réactif de Hill l’oxygène diminue respiration des mitochondries. Les chloroplastes ne produisent donc pas d’oxygène. Donc il n’y a pas de photosynthèse.
Avec le réactif de Hill l’oxygène reste à un taux constant il y a donc une respiration des mitochondries et les chloroplastes produisent donc de l’oxygène. Donc il y a photosynthèse.
Le réactif de Hill a donc le rôle d’accepteur d’électron.

Fe³⁺ + e^- --> Fe²⁺

Et il remplace donc le role rempli par le couple NADP₊ / NADPH.

NADP⁺ + 2e^- + 2H⁺ --> NADPH + H⁺

Le couple NADP⁺ /NADPH joue ainsi le rôle d’intermédiaire entre l’oxydation de l’eau et la réduction du CO².

Pour conclure nous pouvons dire que les plantes fabriquent leur énergie grâce à la photosynthèse. La photosynthèse est constituée de deux phases une phase claire et une phase sombre. La phase claire étant un ensemble de réactions photochimiques, qui dépendent de la lumière, et qui est constituée de deux photosystèmes.
Cette phase claire va donc produire de l’ATP et du NADPH + H+. La phase claire permet donc directement la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique.
La phase sombre correspond au cycle de Calvin, au cours duquel l’ATP et le NADPH + H+ sont utilisés pour la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en glucides.
Cette seconde partie permet l’assimilation du gaz carbonique.