2. La photosynthèse

Se passe dans les cellules végétales uniquement grâce au chloroplaste.

Le but de la photosynthèse est de créer du glucose pour être utilisé le soir dans la respiration cellulaire.

La photosynthèse est seulement possible en présence de la lumière.

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

2. La photosynthèse

Le chloroplaste

Les réactions photochimiques se passent dans les membranes des thylakoïdes des chloroplastes.

Il existe des molécules pigmentaires nommées chlorophylles. On les nomme des antennes pigmentaires car elles captent les rayons du Soleil selon des couleurs spécifiques.

Cette étape est nécessaire pour créer l’énergie pour compléter la deuxième étape de la photosynthèse.

Étape 1: réactions photochimiques

Le spectre lumineux- la lumière blanche est composée de plusieurs couleurs soit le bleu, le violet, le vert, le jaune, l’orange et le rouge.

Chaque couleur de la lumière blanche a sa propre longueur d’onde mesurée en nm.

Les plantes vertes

Les plantes vertes sont vertes car les chlorophylles reflètent la lumière verte. Les autres couleurs de la lumière blanche sont absorbées par les pigments des plantes.

Le spectre d’absorption des chlorophylles a et b

Sur ce diagramme, on voit que les chlorophylles a et b reflètent les longueurs d’ondes dans les régions jaunes, vertes et oranges. Les longueurs d’ondes de violet, bleu et rouge sont toutes absorbées.

La chlorophylleLes chlorophylles sont constituées d'un noyau avec un magnésium en son centre, et estérifié avec un alcool à une très longue chaine en C20. Dans la membrane des thylakoïdes, les chlorophylles sont associées à des protéines et forment des complexes protéines - pigments.

D’autres pigments…

β-carotène

Les autres pigments absorbent d’autres longueurs d’onde que les chlorophylles.

Les pigments sont des molécules qui peuvent être excitées par l’énergie de la lumière. Ce sont des électrons situés dans certaines liaisons conjuguées qui sont excités.◦ Une liaison conjuguée est un terme qui explique en

chimie un type de liaison covalente. Cela étant dit, c’est une suite de liaison soit double-simple-double. Le système est dit conjuguée car la liaison double peut se déplacer et attribuer certaines charges.

L’arrivée d’un photon de lumière excite un de ces électrons dits « délocalisé ».

Le comportement des pigments

La liaison conjuguée

Voici la β-carotène. Les liaisons rouges démontrent là où il y a des liaisons conjuguées et où les électrons peuvent être excités.

http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/metabo/photosynthese/014pigments.htm

La chlorophylle excitée retourne à son état plus stable. Pour ce faire, elle peut utiliser trois moyens:◦ En émettant de la lumière (fluorescence).◦ En transférant son énergie à une molécule proche

(résonance et c’est ce qui se passe dans la photosynthèse).◦ En perdant un électron (photochimie et c’est ce qui se

passe lorsque la chlorophylle cède son électron à un accepteur d’électron).

Les électrons des chlorophylles deviennent énergisés et l’énergie est transmise de molécule de chlorophylle à molécule de chlorophylle. Elle finit par atteindre le centre réactionnel, soit une molécule de chlorophylle a.

Le comportement des pigments

Le centre réactionnel

L’énergie est transmise jusqu’à temps qu’elle atteint le centre réactionnel (une molécule de chlorophylle a). Ensuite l’énergie est transmise à l’accepteur d’électrons.

Le photosystème II a pour centre réactionnel une paire de molécules de

chlorophylle a P680 (absorbant a une longueur d'onde 680 nm). À ce stade, l'énergie accumulée par le centre réactionnel libère

un électron libre qui est transporté sur une chaîne d'accepteurs d'électron. Il passe par les complexes des cytochromes où il entraîne un proton dans la lammelle du granum d'un thylakoïde. Les protons se retrouvent donc en plus grand nombre à l’intérieur du thylakoïde. Ce gradient de proton permet à l'ATP synthétase de produire de l'ATP (le proton passe dans le canal de l'ATP synthase pour lui fournir l'énergie nécessaire à la production d'ATP).

L'électron part des complexes des cytochromes et il est transmis au second photosystème qui a pour centre réactionnel une molécule de chlorophylle P700.

Les photosystèmes I et II

Transfert d’électrons par la voie non cyclique

Les molécules d’ATP et de NADPH produites alimentent les réactions de synthèse qui forment le glucose.

Les électrons de l’eau passent du photosystème 680 au photosystème 700, pour ensuite passer au NADP+.

L’eau fournit les électronsdans le système. Il reste l’oxygène d’où la produc-tion d’O2.

Photosystème II Photosystème I

Le photosystème I (ou P700) est une chlorophylle a qui absorbe la

lumière à 700nm.◦ Sous l’action de la lumière, il libère un électron

capable de réduire (donc ajouter des électrons) à le NADP+ pour devenir le NADPH + H+ grâce à l’enzyme NADP réductase.

Les photosystèmes I et II

- Les complexes enzyme situés dans la membrane thylakoïdienne aspirent les H+ du stroma dans le sac thylakoïde.

- Ceci forme un gradient de concentration H+.

- Les molécules ATP sont formées lorsque les H+ descendent le gradient et retournent dans le stroma. Ils font ceci par le biais du complexe ATP synthétase.

Étape 2: la synthèse

1ière étape 2e étape

Cycle de Calvin

Les métabolites du cycle Calvin:3-phosphoglycérate = PGA1,3-biphosphoglycérate = PGAPglycéraldéhyde-3-phosphate = PGALribulose biphosphate = RuBP

Le cycle de Calvin est la deuxième étape de la photosynthèse.

Le cycle de Calvin est divisé en 3 étapes• 1ière étape: la fixation du carbone• 2e étape: la réduction• 3e étape: la reconstitution du RuBP

9 ATP et 6 NADPH sont requis pour compléter un cycle.

PGA

PGAP

PGAL

RuBP

Le but est de faire une incorporation initiale du carbone dans les molécules organiques.o Le gaz carbonique est pris de l’atmosphère et

fixer au RuBP (ribulose biphosphate).

H2C–O–P CO2 + H2O H2C-O-P C=O 2 HC-OH + H2 HC–OH C=O HC–OH RuBP O-

H2C–O-P corboxylase

RuBP (agit comme catalyseur) PGA

Première étape: la fixation du carbone

3 RuBP forment 6 PGA

Les réactions qui réduisent le PGA pour former du PGAL sont réalisées grâce au stroma.

Ceci se passe en deux étapes:o Les molécules ATP donnent des groupements phosphate

aux molécules de PGA qui les transforment en PGAP (biphosphoglycérate).

o Une molécule NADPH donne un ion d’hydrogène et deux électrons au PGAP. Ceci réduit le PGAP en PGAL (phosphoglycéraldéhyde).

ATP ADP + Pi

PGA PGAP PGAL

Deuxième étape: la réduction

NADPH NADP+ + H+

Le PGAL est une unité de construction pour la synthèse du glucose.

Le NADP+ oxydé peut retourner à la membrane thylakoïdienne pour être réduit de nouveau.

Deuxième étape: la réduction

Seulement une petite partie des molécules PGAL contribuent à la production du glucose.

5 molécules de PGAL sont utilisées pour reconstituer 3 RuBP.

5 PGAL 3 RuBP (C3) (C5)

3 ATP 3 ADP + Pi Donc les réactions du cycle Calvin doivent se produire

deux fois pour créer une molécule de glucose. En total, 18 ATP et 12 NADPH sont requis pour créer du glucose.

Troisième étape: la reconstitution du RuBP

Une fois que le glucose est produit, les cellules végétales peuvent l’utiliser pour:◦ la respiration cellulaire◦ transformation en amidon◦ formation de la cellulose◦ transformation en saccharose

Le Glucose (C6H12O6)

Photosynthèse comparée avec la respiration cellulaire aérobiePhotosynthèse• Chloroplaste• Plantes seulement• Une chaîne respiratoire située sur les membranes du chloroplaste• H2O est oxydée O2

Respiration cellulaire Aérobie

• Mitochondrie• Cellules végétales et animales• Une chaîne respiratoire situéesur les membranes de la mitochondrie• O2 est réduit H2O

Les enzymes: catalysent les réactions dans le chloroplaste et la mitochondrie, aident à réduire le CO2 en glucose dans le chloroplaste, aident à oxyder le glucose en CO2 dans la mitochondrie.