II. La photosynthèse
Les végétaux chlorophylliens sont capables de produire de la matière organique à partir de matière minérale (eau et dioxyde de carbone), grâce à l’énergie lumineuse: c’est la photosynthèse. Ces végétaux vont utiliser de la matière minérale (le CO2 de l’atmosphère et l’H2O du sol) pour fabriquer de la matière organique (comme de l’amidon ou plus généralement du glucose C6 H12 O6) et libérer de l’O2. On appelle ces organismes autotrophes: ils sont capable de générer leurs propres matières organiques à partir d'éléments minéraux.
Cette photosynthèse est permise grâce à une cascade de réactions chimiques se déroulant à l'intérieur du chloroplaste.
Les chloroplastes (ou plastes) sont présents dans toutes les cellules végétales. Ce sont des structures ovoïdes entourés d'une membrane (membrane thylakoïde), présentes dans le cytoplasme de la cellule, contenant un colorant naturel vert, la chlorophylle et assurant la photosynthèse. Les photons, particules élémentaires qui composent la lumière (du Soleil) viennent exciter les électrons contenus dans cette chlorophylle. Cette excitation confère au électrons assez d'énergie pour être libérés du colorant (la chlorophylle). Ces électrons maintenant libres, seront utilisés pour plusieurs réactions chimiques dans la membrane thylakoïdale. L'énergie lumineuse est donc indispensable à la photosynthèse. Les chloroplastes possèdent une structure particulière, c’est à dire qu’ils possèdent une double membrane, limitant un stroma (fluide incolore) dans lequel baignent les thylakoïdes.
La photosynthèse est le processus qui permet à la plante son autotrophie. Elle se répartie en 2 phases:
-la phase photochimique (claire)
-la phase non photochimique (sombre)
1. La phase claire:
Elle a lieu dans la membrane des thylakoïdes. Cette réaction exige de la lumière d’où son nom phase claire. Elle a aussi besoin d’eau, absorbé par son système racinaire, de l’ADP (futur ATP qui transformera l’énergie lumineuse en énergie chimique) et elle aura besoin d’un oxydant (que l'on nommera R, de la chlorophyle oxydée).
Par l'expérience d’Engelmann, on peut mettre en évidence le spectre d’absorption des cellules végétales. En effet, la photosynthèse agit avec des longueurs d’onde préférentielles qui sont comprises dans le bleu et le rouge. Dans la membrane des thylakoïdes, on retrouve 2 pigments photosynthétiques:
-la chlorophylle a
-la chlorophylle b
Les différentes longueurs d’onde d’absorption correspondent aux différents pigments photosynthétiques.
L’eau absorbée par les racines passe donc dans les feuilles au niveau des chloroplastes. Comme énoncé auparavant, lorsqu’un photon est capté, il entraîne la stimulation de la chlorophylle qui perd par cette action un électron. Il y a alors dissociation de la molécule d’eau, selon la formule suivante:
Oxydation: 2H2O → O2 + 4H+ + 4 e-
Ceci permet à la chlorophylle de retrouver son état initial, de fournir des protons lors de la formation de l’ATP et de permettre la formation de transporteurs réduits indispensables à la réalisation de la photosynthèse. Les molécules d’H2O permettent de réduire l’oxydant R (qui serre à réduire les molécules, et à capter les protons et les électrons formés durant l'oxydation) et de former du RH2, selon la réaction suivantes:
Réduction: 2 R + 4H+ + 4e- → 2RH2
Cette réaction est donc une réaction d'oxydo-réduction
Vient ensuite la production d'ATP (Adénosine triphosphate):
ADP + Pi → ATP
ADP (Adénosine diphosphate), et Pi (phosphate)
Tout cela ne peut être réalisé sans énergie lumineuse.
L’ATP et le RH2 sont utilisés lors de la seconde phase de la photosynthèse, la phase chimique.
Bilan de la phase photochimique de la photosynthèse:
2 H2O + 2 R + 2 ADP + 2 Pi → O2 + 2 RH2 + 2 ATP
2. La phase sombre:
Cette phase, contrairement à la phase photochimique, n’a pas besoin de lumière (d’énergie lumineuse), d’où son nom, phase sombre. En effet, certains produits nécessaires à cette phase ont été fabriqués dans la phase claire, la lumière n’est donc plus utile. Cette phase évolue dans le stroma du thylakoïde (fluide incolore du thylakoïde).
Des expériences ont été réalisées par Calvin et Benson, qui permirent de comprendre le processus de la phase chimique. En effet, ces deux chercheurs ont pu démontrer ce cycle en incorporant du dioxyde de carbone radioactif (pour permettre sa traçabilité) dans une plante. Ce cycle est appelé cycle de Calvin (ou de Benson).
Cycle de Calvin
Le cycle de Calvin (ou de Benson)permet de fabriquer du glucose, une molécule énergétique, à partir du dioxyde de carbone. C'est ce qu'on appelle la fixation du carbone.
Durant la photosynthèse, l’énergie de la lumière a été convertie en énergie chimique conservée dans l’ATP et la RH2(énoncé auparavant). Le cycle de Calvin, indépendant de la lumière, utilise l’énergie de ces transporteurs à courte vie pour transformer le dioxyde de carbone en composés organiques qui peuvent être utilisés par l’organisme.
Tout d'abord, au début de ce cycle, nous auront une molécules constituée de 5 atomes de carbone, la Ru-BP (Ribulose bisphophate), qui va incorporer le CO2 par l'action de la RubisCo (ribulose bisphosphate carboxylase oxygénase, enzyme clé du cycle qui permet au CO2 de se fixer dans la RU-BP). Cette molécule de ribulose bisphosphate est alors appelée accepteur de CO2.
Molécule de Ribulose bisphosphate
Ce ribulose bisphosphate auquel on a ajouté du CO2, va alors former des molécules d'APG (acide phosphoglycérique, qui comporte 3 atomes de carbones).
Ru-BP + CO2 → 2 APG
Par réaction d'oxydo-réduction (grâce à l'ATP et la RH2 créés durant la phase claire, il faut aussi savoir que cette ATP et RH2 redeviendront de l'ADP + Pi et du R (oxydant) après cette réaction d'oxydo-réduction), ces deux molécules d'APG vont donner des trioses bisphosphates. Ces trioses bisphosphates vont ensuite, soit redevenir du ribulose bisphosphate pour fixer le CO2 pour un prochain, soit devenir des glucides (trioses, hexoses et autres glucides) qui vont permettre le développement de la plante ou alors être stockés partout dans l'arbre et transportés par la sève.
C'est ainsi que se termine le cycle de Calvin.
Nous pouvons donc écrire l'équation de cette phase sombre:
Nous retrouvons les molécules de dioxyde de carbone, celles de RH2 et d'ATP; cette réaction va donc donner par réduction (du glucose (C6H12O6), par oxydation de l'oxydant (R) et de l'ADP et du PI.
Et également le réaction chimique "totale" de la photosynthèse:
Par la suite, c'est la sève élaborée qui prendra la relève pour transporter ces glucides dans tout l'organisme de la plante.
Pour en savoir plus cliquez sur le lien pour connaître le système qui fait transiter la sève.
