photosynthèse chez les plantes

Légende alternative :

sensible à la lumière chlorophyle = pigment à l'intérieur de chloroplaste capable d'absorber l'énergie lumineuse utiliser pour réaliser la photosynthèse Les pigments présents dans les cellules végétales peuvent être récoltés et étudiés. La chromatographie est une technique qui va permettre de séparer les molécules présentes dans une solution en fonction de leur masse. On dépose une solution de chlorophylle brute, issue d'une feuille, sur un papier (Whatman) ayant des propriétés spécifiques. La base du papier est mise en contact avec un solvant. Ce dernier va remonter par capillarité et entrainer les constituants de la chlorophylle brute avec lui. On met en évidence l'existence de différents pigments au sein des feuilles : la chlorophylle b, la chlorophylle a, les xanthophylles et les carotènes thylakoide stroma UN MOUVEMENT DE CYCLOSE : c'est la particularité des chloroplastes au sein de la feuille ces organites vont se déplacer en périphérie de la cellule et faire en sorte que chacun d'entre eux ait accès à la lumière. papier Whatman chlorophylle brute solvant +granum www.aquaportail.com 30 minutes plus tard carotène xanthophylles chlorophylle a chlorophylle b dépôt initial Figure 3. Chromatographie des pigments chlorophylliens (source: Bordas Term Spécialité SVT 2020) *Les chlorophylles sont insérées dans la membrane des thylacoïdes et sont associées à des protéines transmembranaires, donnant ce que l'on appelle des photosystèmes. La molécule de chlorophylle est constituée d'une tête où sont assemblées 4 sous-unités autour d'un atome de magnés L'observation au spectromètre de la chlorophylle brute et des différents pigments séparés montre que leur capacité d'absorption se situent dans ces 2 intervalles. (entre 400/480 nm et entre 640 et 660 nm) II Les mécanismes de la photosynthèses 1) La phase photochimique (claire) En 1941, Ruben et Kamen montrent que les plantes chlorophylliennes effectuent à la lumière une transformation chimique : la photolyse de l'eau. Cette transformation se produit dans les chloroplastes grâce à l'énergie lumineuse captée par les pigments photosynthétiques. pigment chlorophyllien photosynthétique 2H₂O oxydation Ce phénomène nous permet de distinguer une phase photochimique qui a lieu directement dans la membrane des thylakoïdes et qui demande la présence de lumière. 2H₂O Phase claire oxydation ADP + Pi ADP Pi photons lumineux 2H* 4e H* H* H* H* chaîne de transfert d'éléctrons membrane du pompe à protons lumen thylakoide stroma ΑΤΡ ΣΑΤΡΑ O₂ + 4H+ + 4e ⒸSCHOOLMOUV 2H₂O + 2 ADP + 2Pi + 2H+ Gaz carbonique atmosphérique gaz carbonique + eau 6 CO,+ 12 H,O (= "cendres") énergie lumineuse Bilan de la phase claire Lumière (énergie lumineuse) Photosynthèse oxygène 6 0₂ (= "comburant) Respiration Energie chimique utilisable par la cellule Ainsi, les antennes collectrices absorbent le rayonnement lumineux. L'énergie de ce rayonnement est transmise jusqu'à une molécule de chlorophylle a du centre réactionnel. La chlorophylle, excitée par l'énergie lumineuse, perd un électron au profit d'une chaine d'oxydoréduction localisée dans la membrane des thylakoïdes : la chaine photosynthétique. L'accepteur d'électron est un oxydant soluble, noté R, qui est réduit en RH2. La chlorophylle ionisée retrouve son état initial grâce à l'oxydation de l'eau, qui produit du dioxygène. Le flux d'électrons dans la chaine photosynthétique permet, en plus de la synthèse de composés réduits RH2, la translocation de protons du stroma vers le lumen. Le pH du lumen diminue, donc, en présence de lumière. Les ATP-synthases (ou ATPsynthétases), enzymes de la membrane des thylakoïdes, canalisent le retour des protons vers le stroma. Ce flux de protons est couplé à une synthèse d'ATP. L'énergie lumineuse est donc convertie en énergie chimique sous deux formes : - Des composés RH2 possédant un fort pouvoir réducteur - Des molécules d'ATP dont l'hydrolyse peut libérer une grande quantité d'énergie. Bilan de la phase photochimique Cellule végétale sucres eau C6H12O6 + 6H₂O (= "combustible") + 4H* (stroma) + 2 ATP Glucides de réserve et de structure 2. La phase chimique (sombre) La phase chimique se déroule dans le stroma et correspond à des réactions organisées en un cycle: le cycle de Calvin-Benson. =Le CO2 est fixé sur un glucide à 5 atomes de carbone, le ribulose 1,5-bis-phosphate (RuBP). Le composé organique produit se scinde en deux molécules de 3-phosphoglycérate (APG) à 3 atomes de carbone chacune. L'APG s'engage dans une succession de réactions qui assurent d'une part la régénération du RuBP et d'autre part la production d'une molécule phosphorylée à 3 atomes de carbone, le glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P). Le G3P est ensuite rapidement converti en une diversité de molécules organiques, principalement des glucides. Certaines étapes du cycle de Calvin consomment de l'ATP et des composés RH2 issus de la phase photochimique. Il y a donc couplage obligatoire entre les phases photochimique et chimique par l'intermédiaire de l'ATP et du RH2. CO₂ 3 ADP 3 ATP PHASE $800008 Maillon carboné Groupement phosphate Nombre de molécules Ribulose 1,5-bisphosphate (RuBP) PHASE CHIMIQUE PHOTOCHIMIQUE $1006 G3P Phase 3: Régénération du RuBP Énergie lumineuse 2 H₂O Photolyse de l'eau CO2 (Carbone oxyde) Phase 1: Fixation du CO₂ Cycle de Calvin 0₂ Rubisco 2R 10008 Phase 2: Réduction Membrane du thylakoide xo Chaine d'oxydoréduction Espace interthyla koi dien Couplage énergétique 2RH₂ G3P 60009 6 P * Glucose La production d'1 molécule de glucose C6H₁2O6 néces- site la fixation de 6 molécules de CO₂, soit 6 tours de cycle. Elle consomme donc 18 molé- cules d'ATP et 12 molécules de RH₂. ADP+ Pi ATP Amidon Glycéraldéhyde 3-Phosph (G3P) - Figure 11. Schéma bilan simplifié de la photosynthèse (source : Académie de Dijon) 3-Phosphoglycérate (APG) 6 ATP 6 ADP 6 RH₂ 6R 6 Pi Stroma CH₂O (Carbone réduit) Glucose 3. Les produits de la photosynthèse Au cours des années 50, Calvin et son équipe scientifique mettent en évidence les molécules qui incorporent le carbone du CO2. Il met des chlorelles (algues unicellulaires) en présence de 14CO2. Il réalise une chromatographie suivie d'une autoradiographie. Il se rend compte que le carbone radioactif se retrouve au sein des sucres, tels que le saccharose, les acides aminés (alanine, glycine, sérine, etc.) et de métabolites phosphatés. II Le devenir de la matière organique produite 1. la croissance et le port des plantes Du CO2 contenant du 14C est intégré lors de la photosynthèse ; d'abord au niveau de la feuille siège de ce métabolisme mais par la suite on retrouve la radioactivité ailleurs dans la plante, au niveau d'une jeune gousse qui intègre de la matière organique lors de son développement. La cellulose est un polymère de glucose ẞ1 (à la différence de l'amidon, de même formule brute, qui est un polymère de glucose a lui permettant ainsi d’être digéré par l'Homme), de formule générale (C6H1005)n. Il s'agit du constituant majoritaire des végétaux et de la paroi. Dans le langage courant, il est question de la molécule sous le nom de fibre. Cellulose constituant la paroi de la cellule Cytoplasme CELLULOSE SYNTHASE (ENZYME) Glucose SACCHARASE Saccharose Membrane de la cellule Figure 15. Schéma de l'enzyme produisant la cellulose au niveau de la membrane plasmique d'une cellule végétale (source : Nathan Term Spécialité SVT 2020) La synthèse de la macromolécule résulte du fonctionnement d'une enzyme membranaire, la cellulose synthase Ainsi, les jeunes cellules en cours d'élongation vont intégrer les sucres produits durant la photosynthèse dans la paroi pectocellulosique, entre autre. Les vaisseaux du xylème sont conducteurs de la sève brute et jouent également un rôle de soutien du fait de leur rigidité. Cette caractéristique est due à la présence de lignine qui permet également leur imperméabilisation. La molécule est synthétisée à partir de la phénylalanine, acide aminé produit au sein des chloroplastes. 2. Mise en réserve de la matière organique (220) Les produits de la photosynthèse peuvent également être stockés. On peut les retrouver sous forme d’amidon dans les racines tubéreuses (pomme de terre, manioc, patate douce), de saccharose (tige de la canne à sucre) ou de lipide (fruits secs de type oléagineux, avocat). *Ce stockage de la matière organique permet de résister aux conditions défavorables mais aussi de disséminer l'espèce par le biais des fruits dont la pulpe charnue et riche en nutriments constitue un aliment pour les animaux qui vont, par la suite, permettre la colonisation du milieu en dispersant les graines par le biais de leurs excréments. 3. Des interactions avec d'autres espèces (222) Les produits de la photosynthèse sont également à l'origine de la pigmentation des de certaines parties de la plante comme les fruits dont les couleurs vont attirer les animaux disséminateurs. Il en est de même pour les fleurs qui vont attirer les insectes pollinisateurs. Parmi les pigments, nous trouvons les anthocyanes, fruit d'une succession de réactions enzymatiques. De même, les tanins, produits au niveau des feuilles de certains végétaux vont constituer une défense contre les phytophages EX= l'arbre produit des tanins suite à une attaque par un prédateur, et que ces tanins sont toxiques pour les prédateurs qui les consomment. La production de tanin est donc un moyen de défense contre les phytophages.