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2.4 – La photosynthèse
SBI 4U
Dominic Décoeur
Une petite introduction…
• http://rea.decclic.qc.ca/dec_virtuel/Biologie/1
01-NYA05/Cellule_et_evolution/1.La_Cellule/Etapes_
Photosynthese/
La photosynthèse
• C’est la synthèse des glucides, dans les chloroplastes, à partir de l’énergie
solaire.
• La première étape (photo) de la photosynthèse convertit l’énergie solaire
en énergie chimique. La seconde étape (synthèse) utilise cette énergie
pour produire du PGAL, qui sert ensuite à fabriquer du glucose.
La photosynthèse
• Chloroplaste :
• contient une double membrane. Il transfert l’énergie lumineuse
en énergie chimique (ATP, NADPH). L’énergie est ensuite utilise
pour transformer le CO2 en glucose. On dit qu’il y a environ 5
milliards de chloroplastes par feuille.
• Stroma :
• solution aqueuse dense qui contient tous les enzymes pour la
fixation et la transformation du CO2 en glucide.
• Thylakoïde :
• disques de formes régulières, inter reliés et empilés les uns sur
les autres. C’est dans la membrane du thylakoïde que l’énergie
lumineuse est transformée en ATP et NADPH. Ce sont les
réactions photochimiques lumineuses de la photosynthèse.
La photosynthèse
• Chlorophylle :
• pigments qui absorbent la lumière et donnent la
couleur verte.
• Granum :
• empilement de disques du thylakoïde les uns sur
les autres reliés par une membrane appelée
lamelle du stroma. Ils fonctionnent le jour et
contiennent du chlorophylle en plus de produire du
sucre et de l’énergie chimique.
La structure d’un chloroplaste
Transfert d’énergie
• Photosystème : un réseau (pigment de l’antenne, le centre
réactionnel, l’accepteur d’électron) de molécules de
chlorophylle qui absorbe l’énergie lumineuse. Ces
molécules de chlorophylle sont nommées antennes
pigmentaires.
• La phase lumineuse nécessite la participation de 2
systèmes :
• Photosystème I (PSI) : absorbe la lumière à 700 nm.
• Photosystème II (PSII) : absorbe la lumière à 680 nm.
Unité photosynthétique
• Ce n’est pas une molécule de chlorophylle qui
fait le transfert d’électrons mais plutôt une unité
de plusieurs centaines de molécules d’antennes
pigmentaires. Il doit être alimenté avec la plus
grande quantité d’énergie possible.
Un photosystème
Il fonctionne en faisant circuler l’énergie lumineuse d’une
molécule de chlorophylle à une autre.
Phase lumineuse
• C’est le transfert d’électrons dans les chloroplastes.
• Pour effectuer la phase lumineuse, les molécules de
chlorophylle s’organisent dans un système appelé unité
photosynthétique.
• Les unités photosynthétique sont comme des entonnoirs
qui canalisent l’énergie vers la chlorophylle qui elle
accepte les électrons énergisés.
• La phase lumineuse existe grâce à la participation de deux
photosystèmes :
• P680 : transfert d’électrons non cyclique
• P700 : transfert d’électrons cyclique
Photophosphorylation cyclique
• C’est le trajet le plus simple pour l’électron excité.
• Le processus se fait dans la membrane interne des thylakoïdes.
• Ce processus s’appelle la phosphorylation cyclique parce que les
électrons sont recyclés.
• À l’aide du P700, les électrons passent par la chaîne de transfert
d’électrons (ferrédoxine, cytochrome) et sont retournés au centre
réactionnel.
• Seules des molécules d’ATP sont produites par la voie cyclique du
P700.
• Il n'y a pas de production d'O2 ni de NADPH+ H+.
Le P700 : la voie cyclique de transfert d’électrons
Dans le photosystème 700 (voie cyclique), les électrons sont recyclés
une fois que leur énergie a été utilisée pour former des molécules
d’ATP.
1.
Lorsque le P700 du PSI devient excité, un électron est éjecté. Ainsi, il suit
la chaîne d’électrons jusqu’à la ferrédoxine. La ferrédoxine se déplace
jusqu’à la plastoquinone et un électron passe de la ferrédoxine à la
plastoquinone.
2.
La PQ prend un proton du stroma et la dernière étape se reproduit. La
PQ ayant 2 protons se dirige vers les complexes des cytochromes b6/f.
3.
Les électrons retournent vers le P700 par la plastocyanine.
4.
Les protons induits dans le lumen par la PQ et les complexes des
cytochromes servent à produire de l’ATP grâce à l’ATP synthase.
À quoi sert la phosphorylation cyclique?
• Le transport non cyclique produit du NADPH et
de l’ATP en quantités égales.
• Le cycle de Calvin a besoin de plus d’ATP que de
NADPH.
• Le transport cyclique sera utile pour produire
l’ATP manquant.
Animation
• La première partie de l’animation explique la
photophosphorylation cyclique
http://highered.mcgrawhill.com/classware/ala.do?isbn=0072956208&
alaid=ala_900856&showSelfStudyTree=true
Photophosphorylation
non cyclique
• Premièrement il faut savoir que ces réactions
impliquent les deux photosystèmes.
• Il y a la production d'O2, d'ATP et la NADP+ est réduit
en NADPH et H+.
• C'est l'eau qui est le donneur d'électron et le NADP +
qui est l'accepteur final.
• L'O2 est libérée des chloroplastes, sort des cellules et
finalement sort des feuilles par les stomates.
Photophosphorylation
non cyclique
• Dans ce photosystème, l’énergie des électrons sert
à produire de l’ATP grâce aux H+ et d’autres seront
transférés au P700.
• Les électrons qui sont passés par la chaîne
respiratoire ne sont pas recyclés. C’est pour cette
raison qu’on dit qu’il est non-cyclique.
• Pour remplacer les électrons perdus par le P680,
des enzymes dans la membrane du thylakoïde font
la photolyse de l’H20.
Photolyse
• C’est la décomposition de la molécule d’H20
H20 → 2H+ + 2é + ½O2
H+ : forme l’ATP car il y a accumulation dans le thylakoïde et ils passent dans
la pompe à H+.
é : remplace ceux perdu par le P680.
O2 : nous fournis l’O2 qu’on respire.
• Donc, l’oxygène que l’on respire vient de l’H2O que l’on donne aux
plantes.
• Sans H2O, les plantes ne peuvent pas faire de photosynthèse.
Photophosphorylation
non cyclique
• En fonctionnant avec le P680, les électrons sont
transférés à la ferrédoxine puis au NADP+ et il y a
production de NADPH. Les électrons perdus par le
P700 sont remplacés pas ceux donnés par le P680.
• Le P680 produit de l’ATP et transfert les électrons
au P700. Ce dernier accepte les électrons et
produit du NADPH.
• Comme pour la respiration cellulaire, tous les ATP
produits viennent de la différence de concentration
des H+.
La voie non cyclique de transfert d’électrons
Les électrons de l’eau passent du photosystème 680 au photosystème
700, puis au NADP+. Les molécules d’ATP et de NADPH produites par
ces réactions alimentent les réactions de synthèse qui forment le
glucose.
Un aperçu du P680 et P700
Dans la membrane thylakoïdienne, les complexes enzymatiques aspirent les
ions hydrogène du stroma dans le sac du thylakoïde. Ce processus forme
un gradient de concentration d’ions hydrogène. À mesure que les ions
hydrogène descendent le gradient et retournent dans le stroma par le biais
du complexe ATP synthétase, des molécules d’ATP sont formées.
Bilan global de la phase lumineuse
•
Le nombre d’ATP produit par les réactions lumineuses est en fait variable, 12
étant un chiffre moyen. Néanmoins, on écrit généralement l’équation comme
ceci :
12H2O + 12NADP+ + 12 (ADP + P) → 6O2 + 12 (NADPH + H+) + 12ATP
•
Les molécules d’ATP et de NADPH sont formées au moyen du complexe ATP
synthétase et du complexe NADP-réductase respectivement.
•
L’intensité des réactions lumineuses peut être augmentée par accroissement
de l’intensité lumineuse, jusqu’à un certain seuil, et dépendamment si c’est
une plante d’ombre ou une plante de lumière.
Animation de la phase lumineuse
• http://www.fw.vt.edu/dendro/forestbiology/phot
osynthesis.swf
• http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanim
at/metabolism/photosynthesis.swf
• http://highered.mcgrawhill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::535::5
35::/sites/dl/free/0072437316/120072/bio13.swf
::Photosynthetic%20Electron%20Transport%20an
d%20ATP%20Synthesis
Phase sombre
• On reconnaît la phrase sombre comme étant le
cycle de Calvin. C’est la phase de synthèse, à l’aide
d’enzymes, du glucose dans le stroma.
• On parle de réaction endothermique.
• Les ATP et NADPH fabriqués dans la phase
lumineuse se retrouvent dans le stroma afin de
fournir l’énergie nécessaire à la synthèse des
molécules utiles à la plante.
Phase sombre
• C’est dans le stroma que la plante utilise le
CO2 de l’air pour former du glucose. Le Cycle
de Calvin comporte 3 étapes importantes :
1. Fixation du carbone
2. Réduction
3. Régénération du ribulose diphosphate
Fixation du carbone
•
Un CO2 réagit avec un sucre (5C), le ribulose
diphosphate (RuBP) pour former 2 molécules (3C)
de phosphoglycérate (PGA).
•
Cette réaction est réalisée par une enzyme
particulière, la RudiP-carboxylase, enzyme la plus
abondante de la biosphère.
CO2 + RuBP → 2 PGA
(1C) (5C) (3C chacun)
Réduction
• Chaque molécule de phosphoglycérate (PGA)
subit une phosphorylation par un ATP puis est
réduit par l’NADPH pour donner le
phosphoglycéraldéhyde (PGAL).
ATP / NADPH
PGA
(3C)
PGAL + ADP + NADP+
(3C)
Réduction
• Cela se produit en deux étapes :
– Premièrement, les molécules d’ATP donnent des
groupements phosphate aux molécules de PGA qui se
transforment en biphosphoglycérate (PGAP).
– Deuxièmement, une molécule de NADPH donne un ion
hydrogène et deux électrons au PGAP. Cela réduit le PGAP
en phosphoglycéraldéhyde (PGAL). Le NADP+ oxydé peut
retourner à la membrane thylakoïdienne pour être réduit à
nouveau.
Régénération du ribulose diphosphate
• Le cycle doit se faire 2 fois avant de générer
une molécule de glucose car la majorité des
PGAL redeviennent du RDP.
• Pour une plante, le PGAL est l’équivalent de
l’acétyl-CoA chez l’humain.
Résumé de la phase sombre
• Chaque tour de ce cycle consomme trois molécules de CO2.
• Ces réactions aboutissent à la production de six molécules
de PGAL (composé à trois carbones). Cinq d’entre elles
servent à la poursuite du cycle : elles sont recyclées en trois
molécules de RudiP (avec consommation de 3 ATP).
• La dernière sort du cycle, pour servir, en particulier, à la
fabrication de sucres. Chaque tour de cycle (qui consomme
3 CO2, 9 ATP et 6 NADPH2) aboutit donc à une production
nette d’une molécule de PGAL.
Résumé de la phase sombre
• Deux molécules de PGAL sont combinées pour
synthétiser une molécule de glucose.
• L’intensité des réactions obscures peut être
augmentée par accroissement de la
température. L’optimum se situe vers 30°C pour
les plantes des climats tempérés et vers 40°C
pour quelques plantes tropicales.
Bilan global de la phase sombre
• La somme totale des réactions du cycle de Calvin
est :
6CO2 + 12 NADPH + 12 H2O + 18 ATP → C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 P
• Donc, le Cycle de Calvin :
• Forme le glucose, principale source d’énergie
• Régénère la molécule de RuBP, qui est un accepteur de CO2.
La phase sombre : le cycle de Calvin
Animation de la phase sombre
• http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/
calvin.html
• http://highered.mcgrawhill.com/sites/0070960526/student_view0/chapter5/animatio
n_quiz_1.html
• http://www.tfo.org/education/enseignants/toutes_les_ressou
rces/horairescolaire/index.cfm#aSE0000006416~
• http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/photosynthesis/movi
e.htm (très complexe)
Animation de la photosynthèse
• http://www.tfo.org/education/enseignants/to
utes_les_ressources/horairescolaire/index.cfm
#aSE0000006416~
Respiration cellulaire vs Photosynthèse
• L’organite cellulaire pour la photosynthèse est le
chloroplaste, tandis que l’organite cellulaire pour la
respiration cellulaire aérobie est la mitochondrie.
• Ceci est une comparaison entre les deux processus.
Les deux prochaines diapositives proposent
d’autres comparaisons intéressantes.
Quiz
• La photosynthèse
http://membres.lycos.fr/ajdesor/CAHIER.htm
Allez à la section de Biologie et cliquer sur le
titre « Photosynthèse ».
Laboratoire virtuel
• http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynth
ese/index.html
• Plusieurs bons sites : à vérifier (prof)
http://www.defl.ca/~debloisj_dev/cellules/co
ntenu/cellule14.html