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Métabolisme cellulaire - 1
PARTIE 4.
LA PHOTOSYNTHESE
Introduction :
Les végétaux verts n’ont pas besoin d’un apport de matière organique. Ils sont autotrophes pour le carbone et
autotrophes pour l’azote.
L’autotrophie pour le carbone est réalisée au niveau des chloroplastes : grâce au CO2 de l’air, la plante synthétise
des oses, puis toutes les autres catégories de molécules. L’énergie lumineuse est nécessaire pour réaliser ces
réactions, dites de photosynthèse. Il s’agit donc bien d’un métabolisme de photolithotrophie.
6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6O2
Réduction du CO2 en matière organique
Comment la plante collecte-t-elle de la lumière au niveau des chloroplastes ? Comment cette énergie lumineuse
est-elle convertie en énergie potentielle chimique sous forme de molécules organiques ? Quelles sont les
réactions permettant de passer du carbone minéral (CO2) au carbone organique (oses, aa…) ?
I. LA PHOTOSYNTHESE : OBSERVATIONS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX
Les chloroplastes sont les organites de la photosynthèse, rappels
Les chloroplastes sont présents dans les cellules des feuilles (cellules du parenchyme lacuneux et palissadique i.e.
le mésophylle) mais aussi dans les cellules des tiges.
Les chloroplastes sont des organites à double membrane. Un réseau de mb interne forme les thylakoïdes. On
compte donc trois compartiments : espace intermembranaire, stroma et lumen des thylakoïdes.
Les mb externe et interne sont constituées d’environ 60% de lipides pour 40% de protéines. Les protéines des
membranes sont essentiellement des protéines transporteurs assurant les échanges entre le stroma et le cytosol.
Mais il semble que la mb externe soit plus perméable que la mb interne.
Le stroma contient une solution aqueuse, très concentrée, en particulier en protéines. On y trouve l’ADN du
chloroplaste (1 molécule circulaire), des ribosomes et les enzymes nécessaires à l’expression du génome du
chloroplaste. Le stroma contient aussi les enzymes nécessaires à la réduction – fixation du CO2, la plus connue
étant la Rubisco…
Les thylakoïdes sont constitués d’une membrane et forment un compartiment : le lumen. On distingue les
thylakoïdes granaires et intergranaires. Il existe une continuité entre thylacoïdes granaires et intergranaires
permettant la diffusion des molécules insérées dans la membrane. L'ensemble des lumens peut être considéré
comme un compartiment unique. La mb d’un thylakoïde contient approximativement : 40% de phospholipides,
10% de pigments et 50% de protéines. C’est le lieu de la collecte de la lumière. Parmi les protéines :
- les enzymes ATP synthase
- des protéines de transfert d’électrons (chaîne de transfert d’électrons)
- Complexes protéines pigments, les photosystèmes, qui captent les photons…
On remarque ici la relation structure fonction des thylakoïdes : leur structure plissée développe une grande
surface de collecte de la lumière, tout en étant maintenue dans un volume restreint.
La coupe de feuille permet de localiser les voies d’échanges :
- entrée du CO2 par les stomates et transit par le parenchyme lacuneux
- arrivée de l’eau par la sève brute et évaporation via les stomates
- Rejet de l’O2 par les stomates
La photosynthèse se déroule en deux phases : mise en évidence
1) Expérience de Hill
On travaille sur un isolat de thylakoïdes (extrait de chloroplastes, obtenus eux même à partir de feuilles,
protocole non détaillé). On mesure la concentration en O2 de l’enceinte grâce à une sonde oxymétrique.
Résultats
1- Dans un premier temps, les chloroplastes à la lumière ne dégage pas de O2 : les thylakoïdes semblent ne pas
fonctionner sans le reste du chloroplastes.
2- A t, on injecte le réactif de Hill qui est du ferricyanure de potassium, surtout un oxydant puissant (accepteur
d’électrons donc). A la suite de l’injection, seulement en présence de lumière, on observe un dégagement de O2.
Interprétation : au niveau de thylakoïdes, il se déroule une réaction d’oxydoréduction, qui conduit à la formation
de O2 : H2O serait oxydé en O2. Le réactif de Hill jouant le rôle de l’accepteur d’électrons (oxydant) : mais quel est
l’oxydant suffisamment fort pour oxyder l’eau ? En effet, le couple O2/H2O a un E°’ très élevé (O2 est un fort
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Métabolisme cellulaire - 2
oxydant). De plus, la lumière est indispensable à la réalisation de cette réaction d’oxydoréduction : apporte-t-elle
l’énergie nécessaire à la réalisation de la réaction ?
2) Expérience de Ruben et Kamen (1940)
Une suspension de chlorelles (algues vertes unicellulaires) est fortement éclairée. L’eau de leur solution est
marquée radioactivement à l’oxygène 18 (H2 18O). Les chercheurs voulaient savoir ce que devient l’oxygène de
l’eau, d’après l’équation bilan, 2 possibilités :
- hypothèse 1 : l’oxygène se retrouve dans les molécules organiques
- hypothèse : l’oxygène se retrouve dans le dioxygène libéré.
Ils ont donc analyser le dioxygène libéré par les chlorelles : il contient du 18O en proportions voisines de celles de
l’eau.
Cette expérience permet de confirmer qu’il y oxydation de l’eau :
H20  ½ O2 + 2H+ + 2eDans l’expérience de Hill, le réactif de Hill est l’accepteur des ces électrons et permet la réaction.
Mais il nous manque, l’autre demi réaction, quel est l’accepteur des électrons dans les chloroplastes ???
On parle de photo-oxydation de l’eau :
- Réaction d’oxydoréduction avec le couple O2/H2O (cf. Hill et Ruben & Kamen)
- la réaction nécessite de la lumière (cf. Hill)
- elle a lieu dans les thylakoïdes (cf. Hill)
- l’accepteur d’électrons est-il hors des thylakoïdes ?
3) Expérience de Gafron (1951)
On utilise encore une suspension de chlorelles très éclairée. On fait buller du CO2 mais avec le carbone marqué
(14C) afin de pouvoir mesurer la quantité de CO2 consommée au cours du temps. Les chlorelles subissent une
période d’éclairement pendant 1heure puis on les place à l’obscurité.
Résultats : l’incorporation de CO2 se prolonge quelques secondes (environ 20s) après le passage à l’obscurité.
Interprétation Les réactions d’incorporation du CO2 dans les molécules organiques ne nécessitent pas
directement la lumière puisqu’il y a qq secondes de latence.
Hypothèse : les réactions se déroulant à la lumière (« phase claire ») produisent des molécules utilisées lors de
réactions ne nécessitant pas la lumière (« phase sombre »).
Bilan :
6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6O2
Réduction du CO2 en ose (phase sombre)
Photooxydation de l’eau
II. LA PHASE DE PHOTO OXYDATION DE L’EAU
Les pigments photosynthétiques : des molécules capables d’absorber la lumière
1) Les pigments photosynthétiques : nature chimique
Comment extraire et séparer les pigments d’une feuille ? On peut réaliser une chromatographie sur papier pour
une étude simple et qualitative. Le solvant monte par capillarité dans le papier : les pigments sont entraînés,
d’autant plus qu’ils sont solubles dans le solvant. Il s’agit en fait des pigments présents dans les mb des
thylakoïdes. On retrouve :
- les caroténoïdes regroupant les carotènes et les xanthophylles. Ce sont des pigments dérivés isopréniques, ils
sont hydrophobes (et donc bien stables dans les mb). J’ai mis la formule du carotène, les xanthophylles ont une
formule très proche mais correspondent à une forme oxydée (cf. TP Electrophorèse chromatographie). On
remarque les doubles liaisons conjuguées : les électrons peuvent se délocaliser, ce qui est favorable à l’absorption
de lumière. Les caroténoïdes absorbent les longueurs d’onde entre 440 et 500nm (2 pics 440 et 480nm environ).
Ce qui correspond aux longueurs d’onde du bleu au vert, ils n’absorbent quasiment pas dans les longueurs d’onde
du rouge orange (vers 700nm), d’où leur couleur.
- les chlorophylles sont constituées d’un groupement tétrapyrolique (comme l’Hb ou les cytochromes) mais à
magnésium. Mais il faut noter une queue phytol, constituée d’une chaîne aliphatique carbonée (20C environ) très
hydrophobe qui stabilise la chlorophylle dans les membranes. On distingue la chlorophylle a et la chlorophylle b
qui diffèrent d’un groupement (méthyle et aldéhyde). Là aussi les électrons du groupement tétrapyrole peuvent
être délocalisés et absorber certaines longueurs d’onde. En l’occurrence, les chlorophylles ont deux pics
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Métabolisme cellulaire - 3
d’absorption : entre 400 et 500nm (bleu), et vers 700nm (rouge). Elles n’absorbent pas le vert d’où leur couleur
(qui domine d’ailleurs).
Rq : spectre d’absorption = % de lumière absorbée pour chaque longueur d’onde
Spectre d’absorption, spectre d’action
On peut aussi construire des spectres d’action. En fait, on mesure l’activité photosynthétique, ici d’une algue
unicellulaire selon la longueur d’onde (on les expose à des lumières de longueur d’onde précise). L’activité
photosynthétique peut être mesurée par exemple par le rejet de dioxygène.
On mesure en parallèle le spectre d’absorption de l’algue (et non pas de pigments isolés).
Résultats et interprétation : on peut voir une remarquable coïncidence entre les longueurs d’onde absorbées et
l’intensité de la photosynthèse. Les 2 pics ressemblent un peu à ceux de la chlorophylle : un dans le bleu et un
dans le rouge. Mais ils sont plus larges : les autres pigments participent aussi à la photosynthèse.
2) Les pigments photosynthétiques : propriétés d’absorption de l’énergie lumineuse
La lumière peut être considérée comme :
- une onde électromagnétique. Comme toute onde, elle est caractérisée par une longueur d’onde (, homogène
à une distance, en nm), distance entre le sommet de 2 ondes. On peut aussi définir la fréquence (, mesurée en s1
) : nombre de crêtes par seconde. Il existe une relation simple liant les deux paramètres : c= où c est la célérité
de la lumière, i.e. 300 000 km/s.
- un ensemble de particules : les photons. Chaque photon porte une certaine quantité d’énergie (1 quantum
d’énergie). La formule donnant la quantité d’énergie d’un quantum est : E=h=h.c/. avec h la constante de
Planck 6,63.10-34 J.s)
« Sunlight is like a rain of photons of different frequencies ». La lumière du soleil est constituée de photons de
fréquences variées, situées dans le visible ou non (UV…). Lorsqu’un pigment reçoit un photon, il absorbe une
énergie (selon la formule de Planck) : plus la longueur d’onde est élevée, plus l’énergie reçu est faible (et
inversement). Le pigment passe de son état d’énergie bas (et stable) vers un état dit excité, de plus haute énergie
(instable).
Chl + h  Chl*
Chl* notation pour l’état de transition de haute énergie, instable.
Plus précisément, un électron change de niveau énergétique. Il existe alors 4 façons possibles de restituer
l’énergie absorbée :
- par émission de chaleur (énergie thermique, perdue)
- par émission d’un photon de plus basse énergie (c’est-à-dire de plus grande longueur d’onde). C’est le
phénomène de fluorescence.
- Par transfert d’excitation par résonance : un pigment transmet son énergie directement à un autre
pigment voisin, qui passe à son tour à l’état excité (électron passant à un plus niveau énergétique). Il n’y a
donc pas d’émission de photon. Il faut pour cela que les pigments soient très proches. Il faut aussi que les
niveaux d’énergie de l’état excité soient équivalents.
- Par transfert d’un électron. L’énergie reçue provoque une diminution du potentiel redox et un électron
peut être cédé à un accepteur. L’électron passé à l’état de plus haute énergie, est cédé plus facilement…
Mais comment ces pigments sont-ils organisés dans la membrane du thylakoïde ? Comment captent-ils l’énergie
lumineuse ?
Les photosystèmes, les structures de collecte de la lumière génèrent un gradient de
protons et du pouvoir réducteur
1) Les photosystèmes collectent la lumière…
Emerson, dans les années 1950, a réalisé des mesures de l’efficacité de la photosynthèse. Il utilise le rendement
quantique comme paramètre d’estimation de l’efficacité.
Rdt quantique = (quantité d’O2 produit)/(nb de photons absorbés)
Emerson a mesuré le rendement quantique obtenu avec différentes longueurs d’onde (sur des chloroplastes), en
particulier 680 et 700nm
Résultat : le rendement quantique obtenu avec le mélange (680nm + 700nm) est supérieur à la somme des
rendements quantiques obtenus avec 680nm ou 700nm. Rdt(680+700)>rdt(600)+rdt(700)
Interprétation : il existe deux structures de collecte de la lumière, l’une absorbant préférentiellement vers 680nm
l’autre vers 700nm. Mais elles fonctionnent en synergie, elles sont complémentaires l’une de l’autre : le rdt
quantique est beaucoup plus élevé, lorsqu’elles fonctionnent toutes les deux.
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Métabolisme cellulaire - 4
On les appelle les photosystèmes : il y a le photosystème II, qui absorbe à 680nm et le photosystème I, qui
absorbe à 700nm.
Organisation et principe du fonctionnement d’un photosystème
Un photosystème est un complexe protéines/pigments (caroténoïdes, chlorophylles…) inséré dans la membrane
des thylakoïdes. On distingue :
- une antenne collectrice qui reçoit l’énergie lumineuse, l’énergie y est transmise de pigment à pigment par
résonance (transfert d’excitation par résonance). Pour que le transfert d’énergie par résonance se fasse il faut (1)
que les pigments soient très proches, ce qui est le cas dans un photosystème. (2) Il faut aussi que les niveaux
d’énergie de l’état excité soient équivalents. Un peu d’énergie est perdue à chaque transfert.
- un centre réactionnel, il est constitué d’une (ou 2) chlorophylle a qui est le dernier accepteur d’énergie.
L’énergie reçue provoque une diminution du potentiel redox et un électron peut être cédé à un accepteur. La
chlorophylle a du centre réactionnel, lorsqu’elle passe dans son état excité, a un potentiel redox abaissé, elle peut
céder un électron (à un plus fort oxydant)
Chla+/chla*
Forts
réducteurs
Aox/Ared
0
Forts
oxydants
lumière
Dox/Dred
Chla+/chla
+
Finalement, la réaction réalisée est la suivante, normalement non spontanée :
Dréd + Aox  Dox + Ared
2) … apportant l’énergie pour un transfert d’électrons
On a vu qu’il existe deux photosystèmes :
- le photosystème II ou P680 absorbe à 680nm. Il est majoritairement situé au niveau des thylakoïdes
granaires.
- Le photosystème I ou P700 absorbe à 700nm. Il est majoritairement situé au niveau des thylakoïdes
intergranaires, en contact avec le stroma.
Le photosystème II permet l’oxydation de l’eau, il agit donc comme un oxydant très puissant (plus fort que O2 luimême un oxydant très fort). Il comprend :
- l’antenne collectrice transmembranaire avec des chlorophylles a, b, des carotènes associés à un complexe
protéique.
- le centre réactionnel transmembranaire est formé de 2 protéines, d’un dimère de chlorophylles a, de
phéophytine des quinone A et B. Lorsque la chl a est excitée, son potentiel redox chute, elle peut céder un
électron à la phéophytine (Accepteur d’électons). Elle passe à l’état oxydé chla+ (l’état excité étant instable, elle
revient à l’état de bas)
chla*  chla+* + echla+* redevient instantanément chla+
phéophytine ox + e-  phéophytine réd
- un centre de Mn, lieu précis de l’oxydation de l’eau, situé côté lumen.
La ½ réaction est :
2H2O  O2 + 4H+ +4eLa production de 1 O2 libère 4 électrons, le centre de Mn a un fonctionnement cyclique à 5 états permettant de
libérer les électrons 1 par 1. Et d’éviter par conséquent la formation d’intermédiaires toxiques. Le donneur
d’électrons qui régénère la chla à partir de chla+ est donc ici l’eau via le centre de Mn.
Remarque : le photosystème II est localisé majoritairement au niveau des thylakoïdes granaires.
La phéophytine peut céder ses électrons à la quinone A (QA), qui les cède immédiatement à la quinone B (QB).
Enfin c’est la plastoquinone (PQ) qui reçoit 2 électrons et 2 protons, elle passe à l’état réduit (PQH2). A l’état
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Métabolisme cellulaire - 5
réduit, elle peut se dissocier du complexe et elle devient mobile dans la membrane. Elle emporte ainsi les
électrons vers le complexe b6f.
Remarque : la plastoquinone a une structure proche de la quinone mitochondriale, en particulier une queue
hydrophobe les stabilise dans la membrane.
Le complexe b6f reçoit les électrons. Il s’agit d’un complexe protéique à 4 sous unités, avec plusieurs
groupements prosthétiques : 2 hèmes de type c, 1 hème de type f, un groupement fer soufre. La structure et le
fonctionnement ressemblent un peu à ceux du cytochrome c réductase.
La plastoquinone (QH2) cède 1 électron au groupement FeS. FeS transmet à l’hème c. Cyt c cède à la
plastocyanine qui est un transporteur mobile. Au niveau du complexe b6f, les transferts d’électrons se font dans
le sens des potentiels croissants, donc spontanément. L’énergie libérée par les réactions d’oxydoréductions est
convertie en un gradient de protons. Le complexe b6f fonctionne comme une pompe à protons (vers le lumen).
Q°
Fonctionnement du complexe b6f
Hèmes b
QH2
Q
FeS ox
Hème c ox
Plastocyanine ox
FeS red
Hème c red
Plastocyanine red
La plastocyanine est une petite protéine avec un atome de Cu (Cu3+/Cu2+). Il s’agit d’une protéine majoritairement
hydrophile, elle est dissoute côté lumen mais elle reste en contact avec la membrane thylakoïdienne. Elle cède
ses électrons au complexe P700, le photosystème I.
Le photosystème I est à l’état excité un très fort réducteur, il permet la formation de NADPH,H+.
- L'antenne collectrice renferme des molécules de chorophylles a, de chlorophylles b et des caroténoïdes. Et des
protéines…
- Le centre réactionnel contient un dimère de chlorophylles a piège (P700), une molécule (A) spécialisée dans la
capture de l'électron du P700 ainsi que différents centres fer-soufre, qui jouent le rôle de transporteurs
d'électrons jusqu'à l'accepteur final du PSI constitué par la ferredoxine (Fd).
h
P700*
A0 ox
A0 red
P700
P700+
PC ox
PCred
Remarque : le PSI est lui situé majoritairement au niveau des thylakoïdes intergranaires. Ce qui permet un accès
aux molécules du stroma impliquées dans les réactions (NADP+/NADPH,H+)
La ferredoxine est une petite protéine plutôt hydrophile, située sur la face stroma de la membrane. Elle cède ses
électrons à l’accepteur final, un NADP+. La réduction du NADP+ en NADPH,H+ se fait au niveau d’un complexe
enzymatique ferredoxine NADP réductase.
Bilan :
2 H2O  O2 + 4H+ +4eE°’=0,82V
2 NADP+ + 4H+ +4e-  2 NADPH,H+
E°’=-0,32V
+
+
2 H2O + 2 NADP  O2 + 2 NADPH,H
ΔrG°’=+104kcal/mol = +437kJ/mol
La réaction globale est endergonique, très endergonique. Un apport d’énergie extérieur est nécessaire : c’est
l’énergie lumineuse.
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Métabolisme cellulaire - 6
Il s’agit donc bien d’une conversion d’énergie : l’énergie lumineuse est convertie en énergie potentielle chimique
(sous forme de pouvoir réducteur). Le pouvoir réducteur est sous forme de NADPH,H+. Il est fabriqué du côté du
stroma.
Toutefois, on a vu la réaction globale n’a pas lieu directement, elle est décomposée en plusieurs réactions au
niveau des complexes. Une partie des réactions correspond à un transfert d’électrons dans le sens des potentiels
croissants donc spontané. L’énergie est là convertie en gradient de H+, les protons s’accumulent dans le lumen.
- Le complexe b6f agit comme une pompe, il transfère les protons dans le lumen.
Mais le gradient n’est pas formé que par pompage :
- la photooxydation de l’eau libère 4 protons, au niveau du lumen. Seuls les électrons sont transférés dans
la chaîne de transports des électrons.
- La formation du NADPH,H+ se fait du côté stroma, et prélève des protons libres.
- La réduction de la plastoquinone utilise aussi 2H+ qui sont prélevés du côté stroma.
Le gradient de protons est utilisé dans la synthèse d’ATP
1) Photophosphorylation : expérience et principe
En 1966, des expériences ont été menées sur des chloroplastes isolés. On travaille à l’obscurité.
1- Les chloroplastes sont placés dans une solution tampon à pH 4 pendant plusieurs heures. Un équilibre est
atteint : le stroma comme le lumen sont à pH=4.
2- Les chloroplastes sont placés dans une solution à pH 8 contenant aussi ADP et Pi. Transitoirement, on a
crée un gradient artificiel. pH=4 dans le lumen. pH=8 dans le stroma.
Stroma à pH 4
Stroma à pH 8
Solution à pH 8
avec ADP et Pi
Solution à pH 4
ADP
ATP
Lumen à pH 4
Lumen à pH 4
Après l’étape 1
H+
Résultat : synthèse d’ATP
1
Après l’étape 2
Résultats : on observe une synthèse d’ATP, en l’absence de lumière et sans chaîne de transfert des électrons
fonctionnelle.
Interprétation : seul le gradient de protons mis en place artificiellement peut expliquer la synthèse d’ATP.
Le principe est le même que dans la mitochondrie. Le gradient de protons mis en place entre le lumen et le
stroma, est une forme d’énergie potentielle, on parle de force proton motrice.
Ce
Ci
rG (concentration )   RT ln
Ce
Ci
rG (électrique )  zFV  zF (Vi  Ve)
lumen
D’où
stroma


H
H 
rGRT ln
H zF(ViVe)2,303.RT.log H  zF(ViVe)2,303RT(pHe pHi)zF(ViVe)
e
e
i
i
On prend T=310K, F=23,06 kcal. V-1.mol-1, R=2cal.mol1.K-1
rG  2,303.RT .pH  zFV
Et pH=pHe-pHi=-3,5et V=Vi-Ve=0V
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Métabolisme cellulaire - 7
Alors ΔrG=-5kcal/mol lorsque les protons retournent du lumen au stroma. On retrouve les règles de la théorie
chimioosmotique de Mitchell (1961).
2) Fonctionnement de l’ATP synthase
L’ATP synthase du chloroplaste et l’ATP synthase de la mitochondrie sont très proches par leur structure et leur
fonctionnement. L’ATP synthase chloroplastique est constituée de 2 sous parties : cF0 et cF1.
- Le domaine Fo est un complexe protéique intégré à la membrane. La stoechiométrie des sous-unités est 1a, bb',
10c. Elle est transmembranaire.
- les sous unités c (très hydrophobes), sont formées de 2 hélices α transmembranaires. Les sous unités c
forment une "couronne" au sein de la membrane.
- la sous unité a forme 2 demi canaux à protons permettant le passage des protons entre les deux faces
de la membrane à l’intérieur de la bicouche. Le passage d’un demi canal à l’autre s’effectuant via les sous
unités c
- les 2 sous unités bb' incluent une partie transmembranaire et un domaine très polaire, qui s’étend à
l’extérieur de la membrane et établissent une liaison avec la partie F1 de l’enzyme via la sous unité δ.
- Le domaine F1, hydrophile, (qui fait saillie dans le stroma) comprend 5 polypeptides (sous-unités α, β, δ, ϒ, ε,). La
stoechiométrie des sous-unités est 3α, 3β, 1δ, 1ϒ, 1ε. Les ATP synthases sont localisées majoritairement dans les
thylakoïdes intergranaires. Ainsi, la partie cF0 (encombrante à l’échelle moléculaire) est toujours au contact du
stroma. De plus, ATP, ADP, Pi sont des molécules présentes dans le stroma, ainsi elles peuvent rencontrer les ATP
synthases.
Les sous unités  et  forment un anneau. Les  portent les sites catalytiques. Elles peuvent adopter 3
conformations (L, T et O) selon un cycle identique à l’ATPase de la mitochondrie. On ne reprend donc pas.
Le transfert cyclique d’électrons permet la synthèse seule d’ATP
Les électrons de la chlorophylle a du centre réactionnel de P700* sont transférés à la ferredoxine (via les
intermédiaires vus précédemment). Mais, au niveau du complexe FNR (ferredoxine, NADP reductase), la
ferredoxine ne cède pas ses électrons au NADP+. Les électrons sont transférés au complexe b6f. Les potentiels
redox sont compatibles avec cette réaction : E°’(b6f)=0V et
E°’(ferdx)=-0,4V. La réaction est exergonique. D’ailleurs, le complexe b6f convertit l’énergie en gradient de
protons.
Ensuite, le complexe b6f transmet ses électrons à la plastocyanine, qui à son tour les cèdent à nouveau au
photosystème I (P700). Et la boucle recommence.
Quelles sont les conséquences de ce transfert cyclique d’électrons ?
- Pas de pouvoir réducteur : aucun NADPH,H+ n’est obtenu.
- Le gradient de protons est en place : de nombreux ATP sont synthétisés.
Il s’agit d’une modalité d’ajustement en fonction des besoins et disponibilités de la cellule. Par exemple, le
transfert cyclique peut se mettre en place si il n’y a pas de NADP+ disponible (i.e. si il n’y a que du NADPH,H+).
A l’issue de la phase dite claire, le chloroplaste a synthétisé du pouvoir réducteur sous forme de NADPH,H+ et de
l’ATP. A quoi sont utilisées ces 2 molécules ?
III. PHASE DE FIXATION DU CARBONE
L’expérience historique de Calvin et Benson
Expérience de Calvin et Benson (1962). Il s’agit encore d’une expérience sur des chlorelles, algues
chlorophylliennes unicellulaires. Elles sont maintenues en suspension dans un récipient éclairé où barbote de l’air
enrichi en CO2.
Une pompe permet de prélever un volume fixe de suspension, elles sont envoyées dans un système de tube. Le
débit est contrôlé donc le temps passé dans le circuit l’est aussi.
A un point donné du circuit, on réalise une injection de 14CO2 radioactif. On peut donc choisir le temps
d’exposition au dioxyde de carbone radioactif.
En fin de parcours, les chlorelles sont tuées dans du méthanol bouillant.
Ensuite, on cherche à savoir dans quelles molécules a été intégré le carbone marqué. On extrait les molécules des
chlorelles et on réalise une radiochromatographie. Comme toute chromatographie, il y a un support fixe et un
éluant (solvant) mobile, qui entraîne les molécules, ici selon leur solubilité. C’est une chromatographie en 2D :
une première migration dans une direction, puis une 2ème migration à 90° de la 1ère. Les molécules sont révélées
grâce à la radioactivité du carbone.
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Métabolisme cellulaire - 8
Résultats : - durée d’exposition au CO2marqué : 1s (non représenté). Un seul composé est apparu, c’est l’APG (3
Phospho glycérate, C3).
- Durée d’exposition : 5s. On observe en plus : des trioses phosphate (C3), des hexose (C6), du Ribulose 1,5
biP
- Durée d’exposition : 5 min. D’autres substances variées ont été synthétisées : des acides aminés, en
particulier.
Interprétation : on obtient l’ordre de synthèse des molécules à partir de la fixation du CO2. La fixation du CO2
conduit à la formation du 3P glycérate (C3). Puis les trioses phosphates (C3) sont synthétisés et les hexoses (C6).
Le ribulose 1,5biP est un pentose, quelle place a-t-il dans les synthèses ? Peut-être la régénération, permettant un
fonctionnement cyclique.
Le cycle de Calvin – Benson ou cycle de réduction du CO2
Le CO2 est fixé sur une molécule de ribulose 1,5biP, c’est une carboxylation. Cela permet d’obtenir 2 molécules de
3 P Glycérate (ou APG)
C5 + CO2  C6 + H2O  C3 + C3
ΔrG°’=-12,4kcal/mol réaction exergonique
Ru diP
APG
Cette réaction est catalysée par la Ribulose 1,5 bi phosphate carboxylase oxygénase ou Rubisco. C’est la protéine
la plus abondante des feuilles. Elle est constituée :
- de 8 grosses sous unités (56 kDa), codées par le génome du chloroplaste. Chaque grosse sous unité porte
1 site catalytique, et 1 site de régulation.
- De 8 petites sous unités (14 kDa), codées par le génome nucléaire. Rôle des petites sous unités pas clair
Comme son nom le suggère, la Rubisco a une activité carboxylase (substrat CO2, fixé sur le RudiP), mais aussi une
activité oxygénase. Le substrat est O2 ; elle peut catalyser la fixation d’un O2. C’est le début d’une suite de
réaction qui aboutit à un rejet de CO2. C’est pourquoi on parle de photorespiration. En fait, elle accepte 2
substrats (CO2 et O2) qui sont en compétition. Notons que l’affinité pour le CO2 est beaucoup plus élevée (la
carboxylation est majoritaire). A 25°C et des pressions partielles atmosphériques normales de gaz carbonique et
d’oxygène, 2 molécules sur 10 de RuBP sont oxygénées au lieu d’être carboxylées.
Mais le 3Pglycérate, résultant de la réaction de fixation du CO2, n’est pas un ose. Une réduction du 3P glycérate a
lieu ce qui aboutit à un ose. Mais il est d’abord phosphorylé en 1, 3 biP glycérate (un phosphate rajouté sur le C1).
C’est une réaction endergonique, elle est couplée avec l’hydrolyse de l’ATP. En fait, c’est, classiquement, un
transfert de groupement phosphate de l’ATP vers le 3P glycérate. Il s’agit bien sûr de l’ATP synthétisé lors de la
phase photochimique : 1er couplage entre les 2 phases.
Puis le 1,3 biP glycérate est réduit en glycéraldéhyde 3P. Le donneur d’électrons est le NADPH,H+, qui retourne
donc à sa forme oxydée (NADP+). C’est à nouveau une réaction utilisant un des prodits de la phase
photochimique.
Le glycéraldéhyde 3P est un triose phosphate.
A partir du glycéraldéhyde3P, 2 voies sont possibles :
- une partie sert à la régénération du RudiP. Il s’agit de plusieurs réactions consécutives un peu compliquées, car
obtenir un pentose (C5) à partir d’un triose (C3) n’est pas simple. D’ailleurs, ces réactions ne seront pas détaillées.
- une partie sert aux synthèses diverses.
Les trioses peuvent être exportés hors du chloroplaste, du glucose et du fructose sont produits. Le
principe est assez simple, 2 trioses (C3) sont liés pour former un hexose (C6). A partir de ces 2 hexoses, le
saccharose est obtenu. Il peut être mis en réserve temporairement dans la vacuole. Il peut être exporté via la
sève élaborée, dans le phloème, à destination des organes consommateurs (racines…) ou encore des organes de
réserve (tubercules…)
Les trioses peuvent être convertis en glucose, puis les glucoses sont polymérisés sur place en amidon.
C’est un stockage temporaire (de jour). Il y a exportation sous forme de saccharose, la nuit (cf. cas précédent)
Les trioses peuvent servir à la synthèse d’autres molécules organiques. En 1er lieu, la synthèse des acides
aminés qui a lieu aussi dans les chloroplastes. Cette synthèse se fait à partir d’ammoniac (NH3) ou de nitrates
(NO3-). Mais une cellule végétale peut aussi synthétiser des lipides à partir des trioses (non détaillé).
F. Brondex-E. Paitel
Métabolisme cellulaire - 9
Bilan énergétique :
Pour synthétiser une molécule de glucose, en 6 tours de cycle.
A chaque tour de cycle de Calvin, l'assimilation d'une molécule de CO2 exige la consommation de 3 ATP et 2
molécules de NADPH,H+ délivrant les électrons de réduction.
Petite estimation du rendement énergétique de la photosynthèse :
- L’oxydation complète d’une mole d’hexose permet de récupérer 2804kJ. C’est l’énergie potentielle
obtenue après 6 tours de cycle.
- On considère habituellement qu’il faut 8 moles de photons pour fixer 1 mole de CO2. Or l’énergie
contenue dans 1 mole de photons de =680nm : 175kJ. Donc l’énergie extérieure nécessaire à la synthèse
d’une mole d’hexose vaut : 8x6x175=8400kJ
Le rendement est le rapport de l’énergie potentielle obtenue par l’énergie entrante
Rdt=2804/8400=33%.
Le chloroplaste récupère, sous forme d’hexose, 33% de l’énergie lumineuse utilisée dans les thylakoïdes
IV. PHOTOSYNTHESE EN C3, PHOTOSYNTHESE EN C4
Rappel : la Rubisco a une double activité catalytique :
- carboxylation du RudiP (fixation d’1 CO2)
- oxygénation du RudiP, le RudiP réagit avec un O2. C’est une suite de réactions qui aboutit à la formation
de CO2 et de sérine (un aa). Son intensité augmente avec l’intensité lumineuse. D’où le nom de
photorespiration.
O2 et CO2 sont en compétition au niveau des sites actifs de la Rubisco. Une partie non négligeable des produits de
la photosynthèse part dans la photorespiration. Elle a été considérée comme un gaspillage énergétique chez la
plante. La photorespiration induit une diminution de l’efficacité de la photosynthèse. (Par exemple on n’en a pas
tenu compte dans notre bilan ci-dessus). Mais apparemment elle est nécessaire dans le cadre de certaines
synthèses.
La part relative de la photorespiration et de la carboxylation dépend de la teneur en CO2, en O2 et de la
température. Quand la température augmente, le CO2 est moins soluble, l’apport de CO2 se fait plus mal vers les
cellules chlorophylliennes et les chloroplastes.
Il en va de même pour le dioxygène mais lui est produit sur place par la phase photochimique.
Bilan : quand la température augmente, la part de l’oxygénation augmente aux dépens de la carboxylation.
La photosynthèse qu’on vient de décrire est dite photosynthèse en C3, car le 1er composé formé par la fixation du
CO2 est le 3Pglycérate, une molécule à 3C. Mais il existe un autre métabolisme, formant une molécule à 4C : la
photosynthèse en C4.
Les plantes en C3 et en C4 différent par des caractères anatomiques et cytologiques
On compare une coupe transversale de feuille de :
- Maïs (Zea mays), une graminée (Monocotylédone, céréale) tropicale, réalisant une photosynthèse en C4.
- Avoine (Avena sativa), une graminée (Monocotylédone, céréale) tempérée, réalisant une photosynthèse
en C3.
Plante en C3 : On remarque que le mésophylle (entre épidermes inférieur et supérieur) contient un seul type de
cellules chlorophylliennes. On trouve des faisceaux conducteurs.
F. Brondex-E. Paitel
Métabolisme cellulaire - 10
Plante en C4 : On remarque 2 types de cellules contenant des chloroplastes. Les cellules du mésophylle et les
cellules de la gaine périvasculaires (entourant les faisceaux vasculaires). De nombreux plasmodesmes permettent
les échanges de molécules entre cellules du mésophylle et cellules de la gaine périvasculaires.
En y regardant de plus près, les chloroplastes des deux types de cellules sont aussi différents :
- les chloroplastes des cellules du mésophylle ont une organisation classique, avec des thylakoïdes
granaires et intergranaires.
- Les chloroplastes des cellules de la gaine périvasculaires sont particuliers : les thylakoïdes granaires sont
très peu développés. On ne trouve presque que des thylakoïdes intergranaires.
Si on se souvient de la répartition des complexes, on peut supposer que les chloroplastes des cellules de la gaine
périvasculaire contiennent peu de PSII (P680). Mais ils possèdent des PSI, des complexes b6f, des ATPases.
Hypothèse : les cellules de la gaine périvasculaire peuvent réaliser le transfert cyclique des électrons mais
probablement réaliser peu de chaîne complète de transfert d’électrons.
Les réactions de la photosynthèse en C4 se réalisent sur les 2 types de cellules
Fixation : Le CO2 provient de l’extérieur, il est dissous en HCO3-. Il est fixé dans les cellules du mésophylle sur le
PEP (phosphoénolpyruvate). L’enzyme est la PEP carboxylase. Cette enzyme a une activité carboxylase
uniquement (pas d’oxygénation donc). Le produit de la réaction est l’oxaloacétate (molécule en C4).
L’oxaloacétate est réduit en malate (ce qui nécessite l’oxydation du NADPH,H+).
Transport : Le malate est alors transporté, par les plasmodesmes, vers les cellules de la gaine périvasculaires.
Décarboxylation – fixation : Le malate est alors décarboxylé et oxydé ce qui aboutit au pyruvate. Cette réaction
nécessite la réduction d’un NADP+ en NADPH,H+. Il s’agit de coenzymes réduits qui peuvent être utilisés
(réoxydés) dans le cycle de Calvin. Mais surtout, la réaction produit 1 CO2. Celui-ci peut entrer dans le cycle de
Calvin : La Rubisco catalyse alors la carboxylation du Ribulose 1,5biP, et le cycle de Calvin fonctionne comme
indiqué préalablement.
Ces cellules contiennent principalement des thylakoïdes intergranaires : la phase claire fonctionne principalement
sur le transfert cyclique des électrons : production d’ATP mais pas de NADPH,H+. Le NADPH,H+ utilisé dans le cycle
de Calvin peut provenir de l’oxydation du malate.
Régénération du PEP : Le pyruvate est transporté vers les cellules du mésophylle, il y est régénéré en PEP. Cette
régénération consomme 2 ATP.
Concernant, les réactions de la phase « claire » :
- Cellule du mésophylle : les thylakoïdes granaires et intergranaires, comportent tous les complexes
nécessaires pour réaliser une chaîne de transfert complète (notamment PSI et PSII). Il y a production
d’ATP et de NADPH, H+ indispensables pour les réactions décrites.
- Cellule de la gaine périvasculaire : Ces cellules contiennent principalement des thylakoïdes
intergranaires : la phase claire fonctionne principalement sur le transfert cyclique des électrons :
production d’ATP mais pas de NADPH,H+. Le NADPH,H+ utilisé dans le cycle de Calvin peut provenir de
l’oxydation du malate.
On remarque tout d’abord que les produits de la photosynthèse sont fabriqués dans les cellules de la gaine
périvasculaire, au plus près des vaisseaux d’exportation (le phloème).
On voit que la photosynthèse en C4 consomme 2 ATP en plus par CO2 fixé.
Pour 6 CO2 fixés, 18 ATP pour la photosynthèse en C3
18+12=30 ATP pour la photosynthèse en C4.
Toutefois, le système décrit permet une concentration du CO2. Lorsque la température augmente la solubilité des
gaz diminue (CO2 et CO2), la diffusion de gaz se fait aussi moins efficacement. De plus, lorsque la température
augmente trop, les plantes réagissent en fermant leurs stomates : elles limitent ainsi les pertes d’eau par
transpiration. Mais la fermeture des stomates empêche aussi les échanges de CO2 et d’O2 ! Le CO2 ne rentre plus
et l’O2 s’accumule à l’intérieur. Dans ces conditions où le CO2 diffuse mal :
- la fixation se fait par PEP carboxylase, sans activité oxygénase. Pas de compétition avec la
photorespiration.
- l’apport de CO2 se fait par le transfert de malate.
- L’O2 est à faible teneur dans les cellules de la gaine périvasculaire : il diffuse mal depuis l’extérieur. Il est
peu produit sur place : rappelez vous les thylakoïdes granaires peu développés, ce qui signifie une faible
activité d’oxydation de l’eau (qui produit l’O2).
F. Brondex-E. Paitel
Métabolisme cellulaire - 11
La photosynthèse en C4 est plus coûteuse en ATP, mais elle limite les effets de pertes de carbone dus à la
photorespiration. Est-ce que l’équilibre coût bénéfice se réalise ? Dans quelles conditions trouve-t-on des plantes
qui fonctionnent selon la photosynthèse en C4 ?
Les plantes en C3 et en C4 réagissent différemment aux conditions de température
On mesure le rendement quantique de la photosynthèse en fonction de la température foliaire.
rdt 
molesCO2 fixées
moles photons
Résultats : Le rdt quantique ne varie pour la plante en C4. Alors que le rdt quantique diminue quand la
température augmente. On peut remarquer, en dessous de 28°C, le rdt quantique de la plante en C3 est
supérieur. Au-dessus de 28°C, le rdt quantique de la plante en C4 est supérieur.
Interprétation : Le rdt quantique de la plante en C3 est sensible à la température pour des raisons évoquées
précédemment :
- la teneur en CO2 diminue dans les chloroplastes quand la température augmente : la solubilité, la diffusion du
CO2 diminue. La photorespiration augmente plus que la photosynthèse. Il y a une perte nette de carbone
incorporé… Le rendement quantique baisse.
Dans une plante en C4, le mécanisme de concentration du CO2 permet de limiter la photorespiration par rapport
à la fixation du CO2, par la Rubisco. Le rdt quantique ne dépend pas de la température.
Ainsi, à des températures inférieures à 28°, le coût énergétique de 2ATP lié à la photosynthèse en C4 la rend
moins efficace que la fixation en C3. On remarque que les plantes en C3 sont très majoritaires en milieu tempéré.
A des températures supérieures à 28°, la photorespiration induit un coût dans la photosynthèse en C3, qui est
moins efficace alors que la fixation en C4. D’ailleurs, les plantes en C4 se rencontre principalement en milieu
tropical (parmi des Monocototylédones).
Conclusion :
La photosynthèse est une réaction métabolique de première importance :
- elle permet la réalisation de l’autotrophie pour le carbone pour les végétaux chlorophylliens, en
particulier les Angiospermes. Mais aussi pour de nombreux Procaryotes (Cyanobactéries par exemple). En
effet, à partir de C minéral, elle permet la synthèse de molécules organiques : oses, aa…
- Mais la photosynthèse est aussi capitale au fonctionnement des écosystèmes : les végétaux sont les
producteurs primaires dont dépendent touts les autres êtres vivants directement (consommateurs
primaires) ou non (consommateurs secondaires…)
La photosynthèse repose sur des conversions d’énergie subtiles : de l’énergie lumineuse à un gradient de protons,
puis à l’ATP (photophosphorylation). De l’énergie lumineuse à un pouvoir réducteur (NADPH,H+ accepteurs des
électrons). Les réactions d’oxydoréduction sont encore au centre de ces processus.
Rappelons aussi la complémentarité entre les métabolisme respiration et photosynthèse.
Ici, nous n’avons pas abordé les modalités précises des échanges entre la plante et le milieu extérieur : entrée de
CO2 par les stomates, H2O prélevée dans le sol et transportée par la sève brute.
F. Brondex-E. Paitel
Métabolisme cellulaire
PARTIE 4.
LA PHOTOSYNTHESE
I. La photosynthèse : observations et résultats expérimentaux
A.
B.
Les chloroplastes sont les organites de la photosynthèse, rappels
La photosynthèse se déroule en deux phases : mise en évidence
1) Expérience de Hill
2) Expérience de Ruben et Kamen (1940)
3) Expérience de Gafron (1951)
II. La phase de photo oxydation de l’eau
A.
Les pigments photosynthétiques : des molécules capables d’absorber la lumière
Les pigments photosynthétiques : nature chimique
Les pigments photosynthétiques : propriétés d’absorption de l’énergie lumineuse
B. Les photosystèmes, les structures de collecte de la lumière génèrent un gradient de protons et du pouvoir
réducteur
1) Les photosystèmes collectent la lumière…
2) … apportant l’énergie pour un transfert d’électrons
C. Le gradient de protons est utilisé dans la synthèse d’ATP
1) Photophosphorylation : expérience et principe
2) Fonctionnement de l’ATP synthase
D. Le transfert cyclique d’électrons permet la synthèse seule d’ATP
1)
2)
III. Phase de fixation du carbone
A.
B.
L’expérience historique de Calvin et Benson
Le cycle de Calvin – Benson ou cycle de réduction du CO2
IV. Photosynthèse en C3, photosynthèse en C4
A.
B.
C.
Les plantes en C3 et en C4 différent par des caractères anatomiques et cytologiques
Les réactions de la photosynthèse en C4 se réalisent sur les 2 types de cellules
Les plantes en C3 et en C4 réagissent différemment aux conditions de température