Thème 1 : La Terre dans l’Univers, la Vie et l’évolution du vivant Chapitre 1 : La photosynthèse

I- La localisation de la photosynthèse A- La feuille, organe spécialisé dans la photosynthèse

I- La localisation de la photosynthèse A- La feuille, organe spécialisé dans la photosynthèse MO X 600 MO X 600

I- La localisation de la photosynthèse B- Le chloroplaste, un organe clé de la photosynthèse Dans les cellules chlorophylliennes éclairées depuis plusieurs heures, on peut mettre en évidence la présence d’amidon dans de petits organites cytoplasmiques. La photosynthèse se déroule donc dans ces organites : les chloroplastes. Ces organites, visibles au microscope optique, présentent une taille de 4 à 7 µm de longueur sur 2 à 4 µm de largeur.

I- La localisation de la photosynthèse B- Le chloroplaste, un organe clé de la photosynthèse Détail de quelques grana

Rappels de physique La lumière est de nature ondulatoire et corpusculaire. Du point de vue ondulatoire, la lumière est constituée de plusieurs ondes, chacune caractérisée par une longueur d’onde exprimée en nm. La lumière visible est comprise entre 380 et 730 nm. D’un point de vue corpusculaire, la lumière est formée de photons possédant une certaine quantité d’énergie. Plus la longueur d’onde est grande et plus l’énergie des photons est petite. Par conséquent, des photons rouges (740 nm) possèdent une quantité d’énergie inférieure à celle des photons verts (500nm).

I- La localisation de la photosynthèse C- Mise en évidence des pigments photosynthétiques L’absorption de radiations lumineuses par les pigments chlorophylliens correspond (spectre d’absorption) à une « capture » de l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse : on les qualifie donc de pigments photosynthétiques. Par chromatographie, on met en évidence la présence de 4 pigments différents : chlorophylle a, chlorophy.b, xantophylles, carotène,. Ces pigments chlorophylliens forment des complexes moléculaires enchâssés dans la membrane des thylakoïdes. ces deux derniers formants les caroténoïdes

I- La localisation de la photosynthèse D- Rôle des pigments photosynthétiques Les pigments photosynthétiques absorbent à des longueurs d’ondes différentes, globalement, une absorption dans le bleu et le rouge mais pas dans le vert. La lumière verte est donc réfléchie, ce qui explique la couleur des feuilles. La photosynthèse aura un meilleur rendement dans le bleu et le rouge. (voir doc 3 p 15)

Une expérience historique de Engelmann. En 1883, le botaniste allemand W. Engelmann a dirigé sur une algue filamenteuse de la lumière qu’il a préalablement fait passer à travers un prisme. Il a ainsi exposé des segments distincts de l’algue à des longueurs d’onde différentes. Il a utilisé des bactéries aérobies (qui ont besoin de dioxygène). Les longueurs d’onde pour lesquelles l’absorption des pigments chlorophylliens est importante correspondent aux longueurs d’onde pour lesquelles le rejet de dioxygène est le plus important. Les végétaux ont donc une activité photosynthétique maximale pour des longueurs d’onde d’environ 450 nm (bleu) et de 680 nm (rouge) : spectre d’action.

II- Le déroulement de la photosynthèse Expérience de Gaffron (doc 1 p 16) La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes des cellules chlorophylliennes en deux étapes complémentaires qui se succèdent nécessitant la présence de lumière et se déroulant dans les thylakoïdes et le stroma : La première étape est entièrement dépendante de la lumière et est donc appelée phase photochimique (présence d’eau, d’un oxydant et énergie lumineuse). Elle permet la capture de l’énergie lumineuse des photons qui composent le rayonnement lumineux et sa transformation en énergie chimique utilisable par la cellule dans les réactions du métabolisme. La deuxième étape est dépendante de la présence de CO2 mais ne nécessite pas directement de lumière : c’est la phase chimique. Elle permet la fixation du carbone minéral et sa réduction dans les molécules organiques de la cellule pour former des glucides. Les produits de la phase photochimique sont indispensables à cette phase.

II- Le déroulement de la photosynthèse A- La transformation de l’énergie lumineuse: la phase photochimique 1- Réaction de Hill: mise en évidence d’une réaction d’oxydo-réduction

NADP+ + 2H+ + 2e-  NADPH + 2H+ II- Le déroulement de la photosynthèse A- La transformation de l’énergie lumineuse: la phase photochimique 1- Réaction de Hill: mise en évidence d’une réaction d’oxydo-réduction La réaction de Hill met en évidence que des chloroplastes, en absence de CO2, sont capables de produire de l’O2, et ce uniquement si on leur fournit un oxydant artificiel.   2R + 4H+ + 4e-  2RH2 On a donc une réaction d’oxydoréduction qui se déroule en plusieurs étapes: Absorption d’un photon par une molécule de chlorophylle. Propulsion d’un e- à un niveau énergétique supérieur (changement d’orbital). La molécule de chlorophylle passe d’un état fondamental stable à un état excité instable. La chlorophylle cède rapidement son 2e- excité à un acceptateur d’électron : le coenzyme (substance non protéique nécessaire au fonctionnement d’une enzyme) NADP+ (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), ce qui donne la réaction suivante : NADP+ + 2H+ + 2e-  NADPH + 2H+ La chlorophylle à l’état excité et qui a cédé des électrons va les récupérer en oxydant la molécule d’eau: c’est la photolyse de l’eau.

II- Le déroulement de la photosynthèse A- La transformation de l’énergie lumineuse: la phase photochimique 2- La photolyse de l’eau Au cours de la photosynthèse des molécules d’eau sont dissociées sous l’action d’enzymes contenues dans les thylakoïdes. Les protons H+ sont utilisés pour réduire un accepteur d’électrons noté R.   2H2O  O2 + 4H+ + 4e- Les électrons sont utilisés par la chlorophylle. Les atomes d’oxygène se réassocient pour former de l’ O2, déchet cellulaire qui sera évacué au niveau des stomates. L’absorption d’un photon par une molécule de chlorophylle a pour résultat la propulsion d’un électron à un niveau énergétique supérieur (changement d’orbitale). La molécule de chlorophylle passe d’un état fondamentalement stable à un état excité instable. Les molécules de chlorophylle sont localisées dans des complexes protéines/chlorophylle appelés photosystèmes. Les 2 photosystèmes fonctionnent en parallèle comme producteur d’électrons par absorption de lumière, dans chaque photosystème, les molécules de chlorophylle cherchent à retrouver leur état fondamental, donc à regagner les électrons perdus.

II- Le déroulement de la photosynthèse A- La transformation de l’énergie lumineuse: la phase photochimique 3- La synthèse d’ATP L'ATP synthase est un complexe protéique enzymatique qui se trouve: dans les crêtes mitochondriales (chapitre 2), la membrane des thylakoïdes, et la membrane plasmique des bactéries et des archées. Dans la membrane des thylakoïdes: Le rôle de cette protéine membranaire est de synthétiser l'adénosine triphosphate (ATP) à partir: du gradient électrochimique de protons entretenu par la phase photochimique et d'adénosine diphosphate (ADP), ainsi que de phosphate inorganique (Pi) on observe les ATP-synthases sur les bords d'un thylacoïde et sur la surface de celui-ci. (Cliché : Marcel Signol).

2H2O + 2R + ADP + Pi  O2 + 2RH2 + ATP Bilan de la phase photochimique La phase photochimique, aussi appelée phase claire, se déroule pendant la journée, car elle nécessite l'énergie lumineuse. Elle a lieu dans la membrane des thylakoïdes, structure des chloroplastes. Elle nécessite : L'énergie lumineuse captée par la chlorophylle De l'eau absorbée par les racines De l'ADP et du Pi nécessaires à la formation d'ATP Un oxydant nommé R La chlorophylle capte l'énergie lumineuse, ce qui permet : De réduire l'oxydant R en RH2 De former un ATP à partir d'un ADP et d'un phosphate inorganique (noté Pi) D'oxyder l'oxygène de l'eau, ce qui entraîne la formation de dioxygène De la sorte, l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique conservée dans l'ATP et le RH2. L'ATP est une molécule énergétique. ATP signifie adénosine triphosphate, elle est formée à partir de l'ADP (adénosine diphosphate), couplée avec un phosphate inorganique. L'ATP et le RH2 sont utilisés lors de la seconde phase de la photosynthèse, la phase chimique. Le bilan de la phase photochimique de la photosynthèse est : 2H2O + 2R + ADP + Pi  O2 + 2RH2 + ATP

Schéma bilan de la phase claire (lumineuse) de la photosynthèse Photosystème II Transporteurs d’électrons Photosystème I ATP synthase Lumière Membrane du thylakoïde Stroma pH 8 Lumen pH 4 H+ H+ e- e- H+ R RH2 H2O O2 ADP + Pi H+ ATP

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique L’incorporation du CO2 se fait au cours d’une phase chimique soit non photochimique (« phase sombre »), de la photosynthèse car elle ne nécessite pas de lumière (bien qu'elle se déroule à la lumière). Cette phase se déroule dans le stroma des chloroplastes et correspond à des réactions organisées en un cycle : le cycle de Calvin-Benson (prix Nobel de chimie, 1961). Elle permet la fixation du carbone minéral et sa réduction dans les molécules organiques de la cellule pour former des glucides. Les produits de la phase photochimique sont indispensables à cette phase. Melvin Ellis Calvin 08/04/1911 – 08/01/1997 Andrew Alm Benson 24/09/1917 – 16/01/2015 James Alan Bassham 26/11/1922 – 19/11/2012

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique Expérience de Calvin et Benson Des chlorelles, algues unicellulaires, sont maintenues en suspension dans un récipient où barbote de l'air enrichi en CO2. On introduit du CO2 marqué au 14C. Les chlorelles incorporent le dioxyde de carbone radioactif de la même manière que le dioxyde de carbone non radioactif. Les algues sont tuées à t= 5 secondes après l'exposition au CO2 radioactif et on effectue le même protocole sur d'autres algues mises dans les mêmes conditions à t = 5 minutes. Pour chaque expérience on extrait les molécules organiques des cellules. On réalise alors une chromatographie puis une autoradiographie.

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique Les résultats de l’expérience de Calvin et Benson 1962 APG = Acide PhosphoGlycérique molécule en C3 (C,H,O + P) RudiP = Ribulose Di Phosphate molécule en C5 (C,H,O + P) Hexoses phosphates = glucides comme le glucose possédant un groupement phosphate, molécule en C6 (C,H,O + P) Alanine, acide aspartique, glycine, sérine : acides aminés entrant dans la composition des protéines (C,H,O,N) Acide malique, acide pyruvique = molécules intervenant comme point de départ de diverses réactions biochimiques

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique Variations de la teneur en C5P2 = RuDiP et en APG: en présence ou en absence de lumière (graphique a), en présence ou absence de dioxyde de carbone (graphique b). Il s'agit de résultats obtenus à partir de culture d'algues unicellulaires (chlorelles). (Expérience de Calvin et Bassham 1959.)

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique Cela se passe dans le stroma grâce au RH2 (potentiel réducteur permettant de produire des glucides) et à l’ATP (fournit de l’énergie) produit pendant la 1ère phase. Ce cycle commence par l’incorporation de 3 CO2 atmosphérique à 3 molécules à 5 carbones, le ribulose 1-5 biP (l’accepteur organique). Cette incorporation est catalysée par une enzyme: la Rubisco. Le composé organique produit se scinde alors en deux molécules organiques à 3 atomes de carbone : l’acide phosphoglycérique (3- phosphoglycérate) = APG

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique L’APG est ensuite réduit en glycéraldéhyde 3- phosphate (G3P soit triose phosphate) ce qui nécessite de l’ATP et de l’hydrogène (protons et électrons) apporté par RH2. Cette étape est donc dépendante de la phase photochimique.   Les G3P deviennent la matière première de voies métaboliques qui synthétisent des glucides simples (saccharose) ou complexes comme l’amidon mais également des acides aminés. Une autre partie des trioses phosphates sert à régénérer l’accepteur de CO2, le ribulose 1-5 disphosphate.

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique Ce cycle de Calvin nécessite beaucoup d’énergie (ATP synthétisé lors de la phase photochimique). Il aboutit pour 3 CO2 incorporés à la production d’une molécule de triose phosphate et à la régénération de 3 molécules de C5P2 avec consommation de 9 moles d’ATP et de 6 moles de RH2. Cette phase ne nécessite pas la lumière mais la production de la 1ère phase. Les deux réactions de photosynthèse sont donc couplées.

II- Le déroulement de la photosynthèse B- L’incorporation du CO2 au cours de la phase non photochimique Exemple pour comprendre le nombre de molécules intervenant pour la synthèse d’une molécule de glucose

Bilan sur le déroulement de la photosynthèse Les deux phases de la photosynthèse sont couplées (association des deux phases dont l’une libère de l’énergie utilisée par l’autre). Les produits formés lors de la phase photochimique, ATP et RH2, permettent l’incorporation du dioxyde de carbone dans des molécules glucidiques lors de la phase chimique. En effet, la transformation des molécules APG en trioses Phosphates nécessite à la fois un composé fournissant électrons et protons et de l’énergie : le donneur d’électrons et de protons est RH2 et l’énergie est fournie par l’hydrolyse de l’ATP en ADP et Pi. Le triose phosphate ainsi produit est à l’origine d’une part des synthèses (glucides, acides aminés…), d’autre part de la régénération du ribulose diphosphate sur lequel est fixé le CO2, grâce à la Rubisco. Ainsi, l’énergie chimique résultant de la conversion photochimique (ATP et RH2) est utilisée au cours de la phase de synthèse des molécules organiques. Il y a libération d’ADP, de Pi et de R, ce qui permet de régénérer les composés utilisés lors de la phase photochimique. Pour un gain d’un triose phoshate sont consommés 9 ATP et 6RH2.