Photosynthèse

METABOLISME
ENERGETIQUE
CELLULAIRE
INTRODUCTION
On a vu les mécanismes moléculaires des
transports de matière
(diffusion ou protéines transmembranaires,
flux vésiculaire…)
Comment visualiser
les CONVERSIONS d'énergie
de la cellule
les forces qui déterminent
direction et intensité
des déplacements de matière
?
PLAN
I. Structure générale du métabolisme
et rôle des coenzymes
II. Ex. d'anabolisme : la Photosynthèse
III. Ex. de catabolisme : du Glucose
I. Structure générale du métabolisme et
rôle des coenzymes
II. La photosynthèse : ex. d'anabolisme
A. Prérequis et principe de la
photosynthèse
1- Les échanges gazeux nutritifs sont à l'inverse des
échanges respiratoires
- Définition : les échanges gazeux nutritifs permettent la croissance des
organismes autotrophes à partir de matière carbonée minérale CO2 et
d'énergie, lumineuse chez les photosynthétiques (plantes vertes et
bactéries chlorophylliennes)
- Aspect qualitatif : absorption de CO2 et rejet de O2 nécessitant de la
lumière
- Conséquences directe de la photosynthèse : apparition transitoire
d'amidon dans les chloroplastes, circulation de saccharose dans la sève
élaborée
1- Les échanges gazeux nutritifs sont à l'inverse des
échanges respiratoires
2- Les pigments chlorophylliens absorbent dans le
bleu et le rouge
- Pigment caractéristique des plantes vertes
- Absorbe les radiations dans le bleu et le rouge ce qui lui donne
sa couleur verte
Problème
Est-ce que cette molécule absorbe l'énergie
correspondante
?
Bilan apparent de la photosynthèse
- En première analyse, la photosynthèse serait :
- une capture de l'énergie du rayonnement solaire et
- son stockage sous forme de composés chimiques (type amidon)
ayant une énergie potentielle
6 H2O + 6 CO2
↔
6 O2 + C6H12O6
puis saccharose
en présence de
entrant au niveau des
remis en
chlorophylle des
racines par osmose :
circulation ou
thylakoïdes des
suit les potentiels
amidon stocké
chloroplastes et de
hydriques de plus en
dans les
photons fournissant
plus négatifs
chloroplastes
l'énergie (hn > 180
absorbé par les
kJmol-1)
stomates des
émises par les
feuilles et à
feuilles (au niveau
travers la cuticule,
des stomates)
circule entre les
méats dans toute
la mésophylle
1- Les échanges gazeux nutritifs/photosynthétiques
2- Les pigments chlorophylliens
3- Une des étape limitante de la photosynthèse ne nécessite
pas de lumière
- Méthode d'étude : Etude du rendement
CO2 assimilé/énergie absorbée, en lumière intermittente (disque
percé tournant à grande vitesse)
- Résultats : le rendement est maximum pour
- des éclairs de 10-5s
- séparés par des périodes obscures de 2.10-2s.
Il n'est pas rentable d'augmenter la durée d'éclairement (10-4s)
- Interprétation : Il existe donc 2 phases distinctes de la
photosynthèse :
- une phase qui nécessite de la lumière dite photochimique
(anciennement appelée phase claire)
- une phase qui ne nécessite pas de lumière
(anciennement appelée phase obscure)
L’incorporation du CO2 est mesuré en lumière intermittente à
l'aide d'un tube néon intense qui produit des éclairs brefs (10 µs)
séparés par des intervalles variables d’obscurité (entre 1 et 40
ms).
Trois séquences schématiques montrant comment séparer
des éclairs de même durée par des intervalles obscurs
variables. Exemple pour 10 éclairs.
Expérimentalement, chaque mesure est réalisée pour un total de
10 000 éclairs de 10µs (soit un total de 1s de lumière) et des
durées de périodes sombres comprises entre 100 s et 4000 s (soit
un total d'obscurité compris entre 1,6 à 64 minutes ).
Influence de la durée de la période sombre sur la
photosynthèse nette de chlorelles soumises à une lumière
intermittente (éclairs de 10 µs). La durée totale de
l'éclairement est constante.
Pour un éclair de 10 µs, il faut :
à 25 °C : une période sombre totale d’environ 20 ms (2000 fois
plus importante) pour obtenir une photosynthèse nette maximum.
à 5°C, la durée de la période sombre augmente, mais la
photosynthèse nette maximum est la même.
A. Prérequis
B. Première phase de la photosynthèse :
Conversions de l'énergie lumineuse en
énergie chimique
(dans les membranes des thylakoïdes)
1- Les pigments chlorophylliens : des récepteurs
d'énergie photonique
1- Les pigments chlorophylliens : des récepteurs
d'énergie photonique
Rappel : nature des pigments
- molécules hydrophobe dérivé d'isoprène
- cycle à liaisons doubles conjuguées interférant avec la lumière
- Plane : chlorophylles = noyau tétrapyrrol
- Linéaire : caroténoïdes et xanthophylle (orangés / jaunes)
a) Mise en évidence de l'intervention des pigments
chlorophylliens
- Diversité des spectres d'absorption des pigments végétauxChlorophylle "a" la plus répandue chez les végétaux; absorbe
dans l = 430 et 660 nm
NOTA : chez les cyanobactéries : Phycoérythrine et phycocyanine
(absorbent dans l = 540 et 630 nm)
Comparaison du spectre d'absorption et de l'intensité
photosynthétique
 énergie utilisée  énergie captée
 Problème : Superposition avec les
différents spectres?
Intensité
photosynthétique
b) Les photons sont riche en énergie
Notion de photon :
- Quantum d'énergie porté par onde électromagnétique
- Origine : réactions thermonucléaires solaires :
4H ↔ He + 2e- + hn
- Energie du photon : W = hn = h c/l
- avec c = 3.108 ms-1 et
- h = constante de Planck = 6.62.10-34 Js
(donc hc=19.8 10-26)
• Dans le bleu l = 430 nm; W = -280 kJmol-1 = -2.9 eV
• Dans le rouge l = 660 nm ; W = -180 k Jmol-1 = -1.9 eV
DrG°' = - 96.5 DE'°
(s'exprime en électron Volt (eV)
b) Les photons sont riches en énergie
Conversion d'énergie photonique en énergie
électronique au niveau d'un atome donneur
(ex. la chlorophylle a)
- Modifications de l'atome excité
(possède de l'énergie E = a - b/2r avec r : rayon de l'orbite de
Bohr, discontinue) fonction de :
- distances atomiques
- énergie rotative des électrons
- énergie vibratoire
- pertes thermiques
- Au repos, l'atome a le niveau énergétique stable le plus bas
possible : c'est l'état fondamental
 Un atome est activé par changement d'orbite d'un e-
- Etat singulet excité instable (en 10-11 s)
- Etat triplet excité métastable : retour (en 10-10s) + énergie
(chaleur ou fluorescence hn'<hn)
Mise en évidence expérimentale de la fluorescence :
Chlorophylle a dans l'éther,
éclairée par photons rouge ou
bleu (haute énergie)
l = 670 nm (rouge sombre)
W= - 1.7 eV = 164 kJ
- Retour lent à l'état fondamental (10-4 à 10-3 s) :
 par phosphorescence (hn''<hn') ou
 par transfert d'énergie sur un accepteur =
photosensibilisation
La photosensibilisation : permet l'utilisation de l'énergie
électronique dans des réactions chimiques
- L'énergie restituée pour une conversion externe est de 1.35 eV
in vitro mais de 1 eV seulement in vivo
1- Les pigments chlorophylliens : des récepteurs d'énergie
photonique
2- Les photosystèmes : lieu de la conversion de
l'énergie externe en énergie électronique
a) L'antenne collectrice de photons permet, par
photosensiblisation de la chlorophylle a, le départ d'un
électron
a1) Mise en évidence d'une synergie entre photons de
longueurs d'ondes différentes : Effet Emerson
- Expérience : sur solution de chlorelles (chloroplaste riche en
chlorophylle b) des quantités d'énergie lumineuses telles que :
- en éclairement à 700 nm on obtient une intensité I
- en éclairement à 650 nm on obtient la même intensité I
- Si on applique 50% de l'éclairement en 700 nm et 50% en
650 nm, on obtient une intensité photosynthétique I'>>I
- Interprétation :
- Le mélange des longueurs d'ondes est plus efficace : il existe
une synergie entre petites et grandes longueurs d'ondes du rouge
- Cet effet Emerson traduit l'existence de 2 photorécepteurs
captant l'un vers 650nm et l'autre vers 700 nm (appelées PSI et
PSII) couplés
Sur des Chlorelles, en onditions isoquantiques (même flux de
photons) et une concentration de cellules très élevée pour
absorber toute la lumière incidente (flux de photons limitant),
mesurent l'action de radiations monochromatiques sur l'activité
photosynthétique
- Observent que les radiations rouge sombre (supérieur à 685 nm)
pourtant captées par les chlorophylles n'ont aucune efficacité sur
la production d'oxygène.
Le rendement quantique(rapport entre le nombre de molécules de
O2 émises et le nombre de photons absorbés) diminue alors
considérablement pour ce domaine spectral. Cette décroissance
est appelée "chute dans le rouge".
Décroissance du rendement quantique dans le rouge supprimée
en ajoutant à la lumière rouge sombre une radiation de plus
courte longueur d'onde.
Rendement quantique (exprimé en production d'oxygène) en
fonction de la longueur d'onde d'un éclairement
monochromatique.
A : longueur d'onde variable (de 660 à 720 nm)
B : longueur d'onde variable (de 660 à 720 nm) + une radiation
monochromatique fixe à 650 nm
On observe une augmentation du rendement quantique dans le
domaine des grandes longueurs d'onde (>700nm) sous l'action
d'une seconde radiation fixe de 650nm.
Cette expérience suggère l'existence de deux systèmes
pigmentaires ou photosystèmes (deux ensembles de pigments).
- l'un qui n'absorbe pas la lumière au-delà de 680 nm et qui est
associé au dégagement de O2.
- l'autre qui absorbe au-delà de 680 nm et qui ne dégage pas de
O2.
L'effet synergique observé suggère que ces deux systèmes
coopèrent en lumière blanche pour réaliser des réactions d'oxydoréduction conduisant à l'émission d'oxygène.
a2) Il existe 2 types de photosystèmes
- L'étude des agglomérats des membranes de thylakoïdes et par
isolement des complexes (par détergents) on a trouvé PSI et PSII
- PSI est présent également chez les bactéries (le plus
fondamental); il est constitué de :
- 1 chlorophylle "a" absorbant à 700 nm (longueur d'onde
maximale du système)
- 200 chlorophylles "a" absorbant à 680 nm
- 20 chlorophylles "a" absorbant 670 nm
- Chlorophylles "b" absorbant à 650 nm
- PSII est constitué de :
- 1 chlorophylle "a" absorbant à 680 nm (longueur d'onde
maximale du système)
- 120 chlorophylles "a" absorbant à 660 nm
- 120 chlorophylles "b" absorbant 650 nm
- Carotène et manganèse Mn2+
a3) Photosensibilisation de la Chla680
- Etude des spectres de fluorescence de pigments en solution
dans l'ether :
- La chlb éclairée à 450 nm fluoresce à 650 nm.
- La chla éclairée à 450 nm fluoresce à 670 nm.
- Si on associe Chla + chlb, éclairées à 450 elles fluorescent
uniquement à 670 nm, longueur d'onde de fluo. de la chla.
- On en conclue que chlb peut transmettre l'énergie qu'elle
absorbe à chla
- ceci est possible du fait que la fluo. de chlb se fait dans la
longueur d'onde d'absorption de chla.
Etude 3D de l'antenne collectrice de photons :
- pigments + lipoprotéines = photosystème
- Transmission d'énergie par résonance (en 10-10 s : à l'état
singulet) : rendement énergétique très élevé (95%)
- Structure de la chla favorable au départ d'un électron (nombreux
électrons p facilement arrachables)
- l'électron arraché est pris en charge par un accepteur
- La chl a récupère un électron inactivé venant d'un donneur D en
10-9 s. L'écart de temps entre la restitution d'un e- par D et la
durée du phénomène de résonance (10-10 s) permet une
fluorescence entropique
2- Les photosystèmes : lieu de la conversion de
l'énergie externe en énergie électronique
a) Photosensiblisation de la chlorophylle a et départ d'eb) Pour PSII, le donneur d'électrons est l'eau; l'accepteur est
une quinone ou un sel ferrique Fe3+
b1) Mee d'un dégagement artificiel d'O2 sur des fragments
de thylakoïdes : Réaction de Hill (1937)
- Expérience : des chloroplastes isolés ou des fragments de
thylakoïdes exposés à la lumière en absence de CO2 mais un
présence d'un oxydant (sel ferrique Fe3+ou quinone) montrent un
dégagement d'O2 (mis en évidence par oxymétrie ou ajout d'Hb
qui devient HbO2 suivi en spectroscopie)
b2) L'O2 dégagé provient de l'eau : exp. de Ruben et Kramen
(1941)
- Expérience : cultures d'algues vertes en présence d'eau lourde à
18O. L'O2 dégagée est à 18O
- Interprétation : il y a oxydation photochimique de l'eau
b3) Bilan de la photolyse de l'eau:
- L'eau lysée par aspiration thermodynamique par le système de
photolyse associé au PSII (nécessite Mn2+) par conversion
externe de l'énergie de photons.
- électrons pris en charge par accepteur : quinone ou un sel
ferrique Fe3+
Représentation schématique du photosystème II dans la membrane du thylacoïde.
CAB: protéines de l'antenne périphérique (ou majeure), Car: carotène, Chla:
chlorophylle a, Chlb: chlorophylle b, CP: protéines de l'antenne proximale, D1-D2: sous
unités du centre réactionnel, LHCII: Light Harvesting Complex II (antenne majeure),
OEC: Oxygen Evolving Complex, P680: dimère de chlorophylle a (molécule piège du
centre réactionnel), Pheo: phéophytine, QA-QB: Plastoquinones, Tyr: tyrosine.
1- Les pigments chlorophylliens : des récepteurs d'énergie
photonique
2- Conversion de l'énergie externe en énergie
électronique
3- Conversion de l'énergie électronique en énergie
chimique : la photophosphorylation et réduction des
coenzymes
a) La photophosphorylation acyclique nécessite les 2 types
de photosystèmes
- Mise en évidence expérimentale : inhibiteur de la Quinone :
DCMU
- Physiologiquement : quand le PSII est bloqué (en absence de
Mn2+ par ex., ou en milieu réducteur) ou quand NADP+ pas
régénéré
- Chez les bactéries photosynthétiques : seul mécanisme existant;
PSI fonctionne avec la bactériochlorophylle b (absorbe dans les
infrarouges l = 890 nm)
Donneur d'électron = SH2 ou une molécule organique
Les électrons sont transmis au PSI par l'intermédiaire d'un
transporteur intracellulaire : un cytochrome
Modélisation selon les potentiels électroniques (Arnon 1954) :
image du billard électronique
Principe :
- sous l'impulsion d'un photon, un électron remonte 0.9 ou 0.95 eV
- spontanément, un électron redescend 0.4 eV
Couple redox
O2/ H20
P680 / P680+
P680*/P680
Pheo (red/ox )
QA-QB(red/ox
PQ (red/ox )
b6f (red/ox )
P700 / P700+
P700* / P700
Ao (red/ox )
Fd (red/ox )
NADP+ / NADPH
E'0 (V)
+ 0,82
+ 0,9
- 0,8
- 0,6
- 0,2
0
- 0,2 et + 0,2
+ 0,4
-1,3
-1,0
-0,42
-0,32
Commentaires :
- Le passage de PSII à PSI met 10 mais
- Il faut 2 impulsions successives pour atteindre un niveau
d'énergie potentielle électronique suffisant pour réduire
l'accepteur final : NADP+
- La plastoquinone PQ est un tampon à électrons: elle est 7 fois
plus abondante que PSII et peut stocker des électrons si PSI est
insuffisant; c'est aussi un véritable transporteur mobile dans la
membrane du thylakoïdes (comme l'ubiquinone mitochondriale;
cf. cours suivant) qui distribue les électrons aux PSI environnants
1- Les pigments chlorophylliens : des récepteurs d'énergie
photonique
2- Conversion de l'énergie externe en énergie
électronique
3- Conversion de l'énergie électronique en énergie
chimique : la photophosphorylation et réduction des
coenzymes
a) La photophosphorylation acyclique nécessite les 2 types
de photosystèmes
b) La photophosphorylation cyclique : un mécanisme primitif
c) Modélisation et Bilan énergétique de la 1ère étape de la
photosynthèse
- Méthodes d'étude :
- Par résonance paramagnétique nucléaire : états de Mn
- Par RMN, on peut suivre les protons en solution
- Par spectroscopie optique et diffraction aux RX, on peut suivre
les variations de compositions chimiques et d'arrangements 3D
des molécules
- Modèle 3D : : par Pierre Juliot (1969)
Expérience "du bain acide" de Jagendorf et Uribe 1966
A partir d'une suspension de chloroplastes, les chloroplastes sont cassés (par
choc osmotique par exemple) et les thylakoïdes sont isolés par centrifugation
(le stroma a été éliminé). L'ensemble de l'expérience est effectuée à
l'obscurité.
1 - cette suspension est placée dans un milieu acide tamponné à pH 4,
2 - après quelques minutes, le pH des thylacoïdes s'est équilibré avec celui du
milieu,
3 - on transfère alors les thylacoïdes dans un milieu basique tamponné à pH 8
en présence d'ADP et de phosphate inorganique (Pi) (+ Mg2+).
Remarque : dans cette expérience il n'y a ni ADP ni Pi donc
aucune synthèse d'ATP possible
Bilan :
• 1 mole d'O2 libérée par phosphorylation acyclique = 4 électrons
= 8 photons
• on obtient 2 ATP et 2 NADPH + H+
(attention : nécessité de recycler NADP+)
• Phosphorylation cyclique = ATP supplémentaire
• (1 ou 0,5 par photon)
II. La photosynthèse : ex. d'anabolisme
A. Prérequis
B. Phase photochimique
C. La 2ème phase de la photosynthèse
élabore de la matière organique (carbonée)
à partir de CO2 dans le stroma des
chloroplastes, sans nécessité de lumière
CO2 = forme très oxydée du C
 son utilisation nécessite réactions endergoniques
 à coupler avec réactions exergoniques =
consommation de l'ATP formé durant la première
étape de la photosynthèse
1. Mise en évidence d'un intermédiaire
métabolique
a) Le CO2 est absorbé directement sous forme gaz
- Méthode des éclairements brefs
- Rappel : structure d'une feuille (stomates, chambre sous
stomatique, méats et lacunes)
- Transformation de CO2 en HCO3- en présence d'eau (vapeur)
 lente
- Pour un éclairement bref, CO2 rapidement et abondamment
utilisé
 CO2 accepté directement (forme dissoute), sans passer
par HCO3-.
b) Mise en évidence d'intermédiaires métaboliques :
utilisation d'inhibiteurs
Prérequis :
- Utilisation de 14CO2  les produits photosynthétiques sont
marqués  c'est bien le CO2 atmosphérique qui fournit le C
utilisé dans la synthèse de glucides
- Utilisation d'inhibiteurs  accumulation "en amont" 
identification des intermédiaires métaboliques
(mais pas ordre d'apparition)
c) Détermination de l'ordre d'apparition des
intermédiaires : méthode des marquages courts
- Technique : Ruben et Kamen (1941) puis Calvin (1949-1952)
- Matériel d'étude : chlorelles
- Montage :
- Principe
- 14CO2 pendant courte durée (de 1 à 15 s)
- produits photosynthétiques fixés (éthanol bouillant)
- trie par chromatographie 2D sur papier
- autoradiographie pour chaque expérience (1 s, 2s…)
 ordre d'apparition des différents intermédiaires
métaboliques
- Résultats : Le premier produit formé est l'ac3Pglycérique
(une molécule en C3) à partir de ribulose1-5biP (une
molécule en C5)
BILAN
1 - La réduction de 2 APG en 2 AldPG nécessite 2 NADPH et
2ATP
2 - La régénération de 1 RUBP à partir de 1 RU5P nécessite
1ATP
3 - La formation des 2 NADPH à partir de 2 NADP+ (transfert de 4
électrons) est réalisée par l'oxydation de 2 molécules d'eau
4 - Il faut 2 x 4 photons pour exciter successivement le PSII puis
le PSI et permettre le transfert de 4 électrons de l'eau à 2 NADP+
1. Mise en évidence d'un intermédiaire
métabolique
2. Le Cycle de Calvin : obtention de glucides
par réduction du CO2 et utilisation de
l'énergie chimique de la première phase de la
photosynthèse
a) Cycle simplifié
Dans la réalité : succession de 3 cycles avec des intermédiaires
en C3, C5, C7 etc.
a) Cycle simplifié
b) Cycle de Calvin : plaque tournante du métabolisme
- Synthèse de glucides : sous forme de saccharose circulant ou
d'amidon stocké directement dans les CP.
Peut éventuellement fonctionner en surgénérateur en constituant
d'avantage de RudiP en cas de fort ensoleillement
- Synthèse d'acides aminées à partir d'acide3Pglycérique, par
incorporation d'azote minéral provenant de la sève brute (nitrates)
- Synthèse de lipides : d'acides gras à partir de l'ac3Pglycérique;
de glycérol à partir de glydéraldéhyde3P
a) Cycle simplifié
b) Cycle de Calvin : plaque tournante du métabolisme
c) La photorespiration : dérivatif des plantes en C3
RUBISCO = carboxylase / oxygénase (fct PO2)
Si PO2 forte  RUBISCO = Oxygénase.
Cycle de Calvin détourné vers photorespiration
Cristaux d'oxalate de Ca2+
Chloroplaste
Peroxisome
Catalases
Mitochondrie
a)
b)
c)
d)
Cycle simplifié
Cycle de Calvin : plaque tournante
La photorespiration
Cas des plantes en C4 et des CAM
Camissonia (Onagracée)
Amaranthus (Amaranthacée)
BILAN GLOBAL de la photosynthèse :
- Très approximatif in-vivo
- Pour phosphorylation acyclique: 4 photons sur PSII (bleu, à 280
kJmol-1 soit 1120 kJ) + 4 photons sur PSI (rouge, à 180 kJ soit
720 kJmol-1) soit 1840 kJmol-1
- Pour phosphorylation cyclique, 2 photons rouges soit 360kJmol1)
- Au total : 2200 kJmol-1
- 3 moles d'ATP + 2 moles de NADPH2 = incorporation 1 CO2
- 6 moles de CO2 = 2 mole de trioseP soit 1 mole de Glucose.
Donc 3 moles d'ATP et 2 moles de NADPH2  1/6 de mole de
Glucose (énergie libre = 2820 kJmol -1)
- Rendement de la photosynthèse =
(2820/6) / 1840 x 100 = 21,5%
- Dans conditions cellulaires  30% de l'énergie solaire reçue par
photosystèmes
Vis à vis de l'énergie solaire reçue à la surface des feuilles :
- 10% réfléchis
- 27% transmis
- 63% absorbés dont :
- 17% rayonnement thermique
- 45% transpiration
- 1% photosynthèse dont 30% utilisés
donc 0.3% de l'énergie solaire est exploité directement!