La photosynthèse est un mécanisme bioénergétique permettant aux plantes de synthétiser la matière organique à partir de la lumière. C’est grâce à elle que les végétaux terrestres et aquatiques, l’atmosphère s’enrichissent en dioxygène (O2), permettant à la vie de se développer.
Le principe de la photosynthèse
Il n’y a en réalité pas que les plantes qui possèdent un pouvoir photosynthétique, certaines algues et cyanobactéries en sont aussi capables. Ces êtres utilisent la lumière reçue pour oxyder l’eau, émettre de l’oxygène (O2) et absorber du dioxyde de carbone (CO2) tout en synthétisant leur matière organique grâce à des minéraux. Ce principe de produire une matière organique, la biomasse, à partir de minéraux puisés dans leur environnement confère aux organismes photosynthétiques la qualité d’autotrophes.
La photosynthèse peut se résumer en l’équation suivante :
6 CO2 + 6 H2O + énergie solaire → C6H12O6 + 6 O2
La matière minérale (dioxyde de carbone (CO2) et eau (H2O)) se transforme en matière organique (glucose (C6H12O6 ) et dioxygène (O2)) sous l’influence de l’énergie solaire.
Les chloroplastes
Dans le cytoplasme des cellules foliaires (cellules de la feuille), on trouve des organites ronds et verts, ce sont les chloroplastes. Chaque feuille peut contenir jusqu’à 5 milliards de chloroplastes, c’est là où va se dérouler la photosynthèse. Ils contiennent d’ailleurs la chlorophylle, un pigment vert assimilateur des végétaux photosynthétiques. Les éléments structurels principaux d’un chloroplaste sont :
- Les thylacoïdes : ce sont des membranes internes disposées en sacs aplatis, sièges de la phase photochimique. Le lumen est l’espace interne des thylacoïdes, il joue un rôle dans la production d’ATP et dans la génération d’un gradient de protons. La chlorophylle se trouve dans leur membrane.
- Le stroma : c’est la matrice interne du chloroplaste, siège de la phase sombre.
- L’enveloppe : c’est la double membrane qui entoure les organites du chloroplaste.
- On retrouve également des ribosomes, des gouttelettes lipidiques, de l’ADN…
Les phases de la photosynthèse
Phase photochimique (claire)
La phase photochimique est un ensemble de réactions qui dépendent de la lumière, l’énergie lumineuse y est transformée en énergie chimique. Elle se déroule dans les thylakoïdes.
Pourquoi les feuilles sont-elles vertes ?
Les photons (particules porteuses de lumière) sont captés par les pigments de la feuille. L’énergie transportée par un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde :
E= h.c / Ⲗ
avec E l’énergie du photon (J), Ⲗ la longueur d’onde (m), c la célérité de la lumière dans le vide (3.108 m.s-1) et h la constante de Planck (6,63.10-34 J.s)
La chlorophylle absorbe les longueurs d’onde de la lumière bleue et de la lumière rouge, c’est donc la lumière verte qui est réfléchie et que l’on voit sur les feuilles.
Des photons aux électrons
Lors de l’absorption du photon, le pigment passe à un état excité, puis retourne à son état fondamental, plus stable avec trois conséquences :
- Une fluorescence, c’est-à-dire une émission de lumière et de chaleur.
- Une résonance par un transfert d’énergie à une molécule adjacente.
- La perte d’un électron.
La résonance s’effectue de pigment en pigment jusqu’au centre réactionnel. C’est là que l’énergie lumineuse est piégée et est convertie en énergie chimique. En effet, il y a deux centres réactionnels dans la membrane thykaloïdienne qui forment les photosystèmes I et II. Avec des antennes collectrices qui vont utiliser l’énergie d’excitation deux électrons du centre II sont arrachés et sont transmis au centre I qui perd à son tour deux électrons, qui seront transportés à travers la membrane et finiront leur course en transformant du NADP+ en NADPH H+ dans le stroma. D’ailleurs, lors de la sortie des électrons, il y a un échange qui se fait avec des ions H+. Ces ions retourneront vers le stroma grâce à l’ATP synthase qui converti l’ADP en ATP, il y a donc une production d’énergie.
Les centres réactionnels peuvent être vus comme des photopiles dont le pôle positif est la paire de chlorophylles qui cède un électron (P) et le pôle négatif est une autre molécule qui va accepter l’électron (A).
P*A → P+ + A–
Si tu as bien suivi, tu te dis peut être qu’il manque toujours deux électrons au photosystème II. C’est en fait une enzyme de décomposition de l’eau présente dans l’espace intrathylakoïdale qui va les lui apporter.
Phase métabolique (sombre)
Cette phase ne dépend plus de la lumière mais des enzymes. Par le cycle de Calvin, elle permet la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en glucides.
Le ribulose biphosphate (5 carbones) se transforme en 3-phosphoglycérate (3 carbones) grâce à un apport en CO2 préalablement oxydé par l’ATP et le NADPH2 présents dans le stroma. Par réduction, du glycéraldéhyde 3-phosphate sort du cycle de réactions pour être transporté vers le cytoplasme et ainsi participer à la synthèse de saccharose (glucide). C’est ce dernier qui va fournir les glucides au reste de la plante. L’équation bilan du cycle de Calvin est :
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + H2O → glycéraldéhyde 3-phosphate + 9 pi + 9 ADP + 6 NADP+
Les trioses phosphates sont également utiles dans la synthèse d’amidon, d’acides aminés et de lipides, c’est la matière organique ou “biomasse“ issue de la photosynthèse. La biomasse se définit par la masse totale d’organismes vivants dans un biotope qui soit utilisable comme source d’énergie.
Bilan
Ce qu’il est important de retenir est que les organismes autotrophes utilisent le dioxyde de carbone, libèrent de l’oxygène et oxydent l’eau en synthétisant leur matière organique à partir de minéraux.
Dans la feuille se trouvent des chloroplastes qui contiennent de nombreux organites dont les thycaloïdes qui renferment la chlorophylle, le pigment qui réfléchi la couleur verte.
Les photons sont convertis en électrons grâce aux photosystèmes I et II qui transfèrent les électrons lors de la séparation de charges. Ces photosystèmes sont branchés en série. L’énergie des photons récupérée est convertie en pouvoir réducteur (NADPH) et en énergie chimique (ATP). Ces produits sont mis à contribution pour alimenter la fixation de carbone dans le cycle de Calvin qui, avec ses réactions va produire de la biomasse.
