LA PHASE PHOTOCHIMIQUE DE LA PHOTOSYNTHESE La réduction du dioxyde de carbone nécessite de l'énergie. Quelle relation peut-on faire entre l'absorption de la lumière et l'acquisition d'un pouvoir réducteur par les cellules chlorophylliennes? I. HISTORIQUE ET RAPPEL DE CHIMIE 1- Historique En 1937, le biologiste HILL constate que des chloroplastes isolés par broyage de feuilles dans des solutions de pH convenable et renfermant 10% de saccharose provoquent l'oxygénation du pigment rouge de sang de vertébré, l'hémoglobine, en présence d'un sel ferrique. Le dégagement de dioxygène provient de l'oxydation de l'eau: Ainsi: 2-Rappel de chimie La réduction d'un élément chimique M consiste en un gain d'électrons pour celui-ci; une oxydation est une perte d'électrons. Oxydation et réduction sont couplées: De ce fait le passage d'un transporteur d'électrons de l'état oxydé à l'état réduit exige un apport d'énergie. II. PRINCIPE DE L'EXPERIENCE DE HILL Les chloroplastes intacts contiennent un transporteur oxydé ( R ) qui est réduit par les électrons provenant de l'eau ( RH2 ); celui-ci disparaît dans les chloroplastes altérés. On étudie le dégagement de dioxygène dans une suspension de chloroplastes exposés à la lumière, en présence ou en l'absence d'un accepteur d'électrons artificiel (qui remplace le transporteur naturel R): le ferricyanure de potassium (Fe3+ oxydant); il a la possibilité de jouer le rôle d'accepteur d'e- et d'être réduit en Fe2+. Dans le chloroplaste ont lieu les réactions d'oxydo-réduction suivantes: III. ORIGINE DU DIOXYGENE: L'EXPERIENCE DE RUBEN ET KAMEN Si l'on revient à l'équation-bilan de la photosynthèse: 6 CO2 + 12 H2 O ----> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H 2O le dioxygène dégagé pourrait théoriquement provenir soit de l'eau (H2O), soit du dioxyde de carbone (CO2). Qu'en est-il? Matériel végétal les chlorelles sont des algues unicellulaires chlorophylliennes contenant un gros chloroplaste en forme de cloche. Eclairées par un faisceau lumineux de forte intensité, elles réalisent une photosynthèse active, caractérisée par un dégagement de dioxygène et une accumulation de glucides dans leur chloroplaste sous forme d'amidon. Protocole expérimental Rappel: les éléments naturels existent sous plusieurs formes: o o une forme normale, de masse atomique caractéristique: ex. C=12, O=16, ... une ou plusieurs formes appelées isotopes, caractérisées par une masse atomique différente: ex. 14C=14, 11C=11, 18O=18, ... RUBEN et KAMEN réalisent une culture de chlorelles en présence d'eau, de dioxyde de carbone et de lumière: o o avec du dioxyde de carbone C18O2 et de l'eau H216O, avec du dioxyde de carbone C16O2 et de l'eau H218O. Dans le premier cas, le dioxygène dégagé contient 16O, dans le second cas, le dioxygène contient 18O. IV. BILAN DE CES REACTIONS PHOTOCHIMIQUES: LA PHOTOLYSE DE L'EAU La phase claire de la photosynthèse, faite de réactions nécessitant la lumière, est une suite de réactions complexes. 1- Excitation des pigments photosynthétiques et libération d'électrons: Quand un photon lumineux est absorbé par une molécule de chlorophylle a, un électron est libéré; celui-ci change alors d'orbite en élevant son niveau d'énergie. La molécule de chlorophylle a passe alors à l'état excité en donnant un électron: chlorophylle a -----> e- (oxydation) Cet électron instable est piégé par un accepteur d'électrons qui est réduit: T+ + e- --------> T (réduction) L'état excité se propage aux molécules voisines qui constituent une "antenne collectrice", située dans les membranes des thylakoïdes, qui récupèrent et transmettent les électrons aux pigments photosynthétiques organisés en photosystèmes. 2- Transit des électrons à travers les photosystèmes de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes Les électrons transitent à travers les photosystèmes de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes. Le premier accepteur d'électrons les transfère le long d'une chaîne de réactions d'oxydo-réduction (chaîne photosynthétique) jusqu'à un dernier accepteur d'électrons qui est alors réduit: R (forme oxydée) + 2H+ + 2e- --------> RH2 (forme réduite) (2) 3-Régénération du donneur d'électrons et photolyse de l'eau Pour fonctionner à nouveau la molécule de chlorophylle a oxydée devra revenir à l'état réduit en empruntant l'électron perdu à un autre donneur d'électrons; c'est la molécule d'eau qui fournit cet électron en subissant une oxydation ou photolyse de l'eau: H20 ----- > 2 H+ + 1/2 O2 + 2e - (1) Conclusion: le dioxygène formé et rejeté par les végétaux chlorophylliens sous forme gazeuse est un "déchet" de la photosynthèse; il provient de la photolyse de l'eau dans les chloroplastes. Les protons formés H+ s'accumulent dans la cavité des thylakoïdes et il se créé une différence de concentration ou gradient de protons entre la cavité des thylakoïdes et le stroma des chloroplastes. 4- Établissement d'un flux de protons à travers une ATP synthétase (enzyme active au niveau de sphères pédonculées de la membrane du thylakoïde) Ainsi s'accumulent des protons H+ dans le stroma; ils serviront à la régénération de R: RH2 (forme réduite) ----> R (forme oxydée) + 2H+ + 2e5- Photophosphorylation de l'ATP C'est la synthèse de l'Adénosine TriPhosphate à partir de l'Adénosine DiPhosphate et d'une molécule de Phosphate inorganique Pi; l'énergie nécessaire à la formation d'ATP est fournie par les électrons à haute énergie qui quittent les photosystèmes (c'est une réaction endergonique qui consomme de l'énergie). ADP + Pi + énergie -----> ATP (3) L'ATP est une molécule faite de 3 constituants: o o o une base azotée (adénine) un sucre en C5 (ribose) 3 groupements phosphates Cette molécule "riche en énergie" permet par hydrolyse la libération d'énergie ou par phosphorylation, la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique potentielle; en définitive elle participe aux transferts d'énergie dans la cellule. RESUME La lumière provoque: - la photolyse de l'eau, source de protons et d'électrons mais aussi du dioxygène libéré au cours de la photosynthèse (1) - le transfert des électrons le long d'une chaîne photosynthétique (2) - la formation et le maintien d'un flux de protons indispensable à la formation de molécules énergétiques (ATP) (3)