Photosynthèse et métabolisme carboné

Photosynthèse et métabolisme carboné
Bibliographie
 La photosynthèse, H. JUPIN, A. LAMANT, Ed DUNOD
 Physiologie végétale, 1. Nutrition, R. HELLER, R. ESNAULT, C. LANCE, Ed DUNOD
 Physiologie végétale, W. HOPKINS, Ed DE BOECK
La photosynthèse
I – Introduction
Les plantes synthétisent les molécules organiques dont elles ont besoin grâce à la photosynthèse. Pour se faire cette dernière a
besoin d'eau, de CO2, de chlorophylle et de lumière solaire.
Les algues et certaines bactéries (cyanobactéries) sont également capables de faire de la photosynthèse. Chez tous ces
organismes un processus de photosynthèse peut être réalisé et, à l'exception des cyanobactéries va libérer de l'O2. De ce fait les
plantes sont des fournisseurs quasi-exclusifs d'apport d'o2. La photosynthèse a permis l'accumulation de combustibles fossiles, toutes
les molécules hydrocarbonées issues de ces réactions constituent la base, non seulement de notre alimentation, mais également d’une
grande variété de matières comme les bois, les textiles, et d’une manière globale, la biomasse
Première description: en 1780 par Priestley. Ce dernier observa et écrit qu’" à la lumière, les plantes peuvent "restaurer" de l’air
chargé de gaz carbonique et appauvri en oxygène", (première expérimentation avec une cloche, une flamme et une souris + une
plante).
C'est dans les années 1920 – 1930 que l'on a commencé à démontrer son fonctionnement. WURMSER, un biophysicien français
a d'abord fait trois principales découvertes:
 L'eau se décompose en produisant des molécules d'oxygène sous l'effet de la lumière.
 C'est un donneur d'électrons permettant la formation d'un composé réduit, utilisé par la suite pour la transformation du CO2
en glucides.
La photosynthèse fait le lien entre l'énergie lumineuse et l'énergie chimique.
 La réaction de consommation est spatialement et temporellement distincte de la réaction de (photo)lyse de l'eau.
Avancée suivante dans les années 50. Découverte de la présence de deux ensembles moléculaires très complexes pour
effectuer la photosynthèse: les Photosystèmes, assemblages moléculaires réunissant pigments et protéines capables de ces deux
réactions principales.
II – Énergie lumineuse et pigments.
1 – L'énergie lumineuse
La lumière est considérée:
Soit comme une onde, un rayonnement électromagnétique caractérisé par son intensité et sa longueur d'onde.
Soit comme une particule de masse nulle, LE PHOTON, se déplaçant dans le vide à la vitesse c et transportant une énergie h
(=hc/) où h est la constante de Planck,  la fréquence et  la longueur d'onde; c=3.108m.s-1; h=6,6.10-34J.s
Relation inversement proportionnelle entre l'énergie et la longueur d'onde. Un photon qui sera émis dans les basses fréquences
donnera plus d'énergie qu'un photon émis dans les hautes fréquences. Ainsi, dans la gamme de réception de la plante, les photons
"dans le rouge" seront bien moins énergétiques que les photons "dans le bleu".
Les végétaux ne vont pas utiliser tous les photons visibles, ni les photons infrarouges pour effectuer la photosynthèse. La
fraction des radiations visibles utilisée constitue les relations actives pour la photosynthèse (PAR: "Photosynthesis Active Radiation").
Les PAR correspondent donc à la fraction des flux de photons susceptible d'être absorbés par les organismes photosynthétiques.
Si l’on veut mettre en cohérence les éléments indiqués, nous verrons de quelle façon la plante collectera ces photons. Mais
voyons d’abord quelques paramètres d’écophysiologie : un autre aspect, plus quantitatif, veut que la lumière du jour qui arrive sur les
plantes ait une intensité globale extrêmement variable, car dépendant de nombreux facteurs.
 Facteurs physiques : couche d’ozone, poussières en suspension, nuages, vapeur d’eau, etc. Par exemple, des plantes de sous-
bois ne recevront pas la même énergie lumineuse que des feuilles de la canopée.
 Périodicité de l’éclairement au cours de la journée : afin de donner un ordre de grandeur et à titre qualitatif, si le flux de
photons PAR est de 1000 à 12h en plein soleil, il chute à 100 si le ciel est couvert, à 10 en sous bois, et à 1 au crépuscule.
 Pour les végétaux aquatiques, les paramètres sont également nombreux et relatifs aux profondeurs, niveaux et turbidité des
eaux, zones de balancement des marées, etc.
Les systèmes se sont adaptés à leur environnement et on trouve des plantes d'ombre (qui ont besoin de très peu de lumière) et
des plantes de lumière (qui ont besoin de beaucoup de lumière).
2 – Les pigments
a) Localisation des pigments Les pigments se trouvent dans les
chloroplastes des cellules végétales.
Plaste: c'est un organite qui a un diamètre
de 7 à 8µm, a une double membrane et
possède un stroma dans lequel baignent
les thylakoïdes. Certains sont empilés les
uns sur les autres pour former des
granums. C'est au niveau des thylakoïdes
que va se produire la captation d'énergie

lumineuse. Les pigments se trouvent dans les membranes des thylakoïdes, en relation avec des protéines et des lipides. Ce sont des
membranes remarquables car elles sont riches en protéines et en pigments, la composition lipidique est inférieure à la moitié de la
composition totale de la membrane, ce qui leur confère une grande fluidité.
La photosynthèse se passe quasi-exclusivement dans les feuilles, au niveau d'un parenchyme chlorophyllien. Le parenchyme
est différent en fonction de si la feuille est mono ou dicotylédone. (Dicotylédone à gauche et monocotylédone à droite)
Pour faire un rapide rappel sur la structure foliaire d’une plante eudicotylédone, on trouve dans celle-ci une nervure médiane
ou principale contenant les éléments conducteurs : le xylème transporteur de sève brute, et le phloème transporteur généralement
descendant de sève élaborée particulièrement chargée en molécules glucidiques. Les chloroplastes se retrouveront répartis dans deux
parenchymes différents : un palissadique sur la face supérieure, et un lacuneux sur la face inférieure de la feuille.
La photosynthèse ne pouvant avoir lieu qu’à travers d'échanges gazeux, c’est pourquoi il faut donc une arrivée de CO2 ainsi
qu’une sortie d'O2. Ces échanges gazeux se feront très majoritairement via des stomates, ouvertures épidermiques que l’on retrouve
sur les deux faces de la feuille. Leur nombre varie selon les conditions extérieures mais il y en a généralement plus sur la face
inférieure que sur la face supérieure de la feuille.
Chez les monocotylées, les nervures sont parallèles et de taille à peu près identique. Il n'existe pas de différence entre les
deux faces de la feuille, et l’unique parenchyme sera lacuneux.
b) La structure et la réactivité des pigments
Le spectre visible se situe entre 380 et 750nm.
Ce spectre n'est pas absorbé de la même manière par tous les pigments, on absorbe beaucoup dans le bleu et dans le rouge: ce
sont les deux zones importantes d'absorption de la lumière.
Expérience d'Engelmann: travail sur des bactéries (Bacterium thermo) qui ont besoin d'O2 pour se développer et sur des algues
photosynthétiques (spirogyre). Les bactéries sont dispersées dans le milieu. Lorsqu'on éclaire la Spirogyre, elles se rassemblent tout le
long de l'algue. En effet, éclairée, l'algue produit de l'oxygène qui attire les bactéries. Si l'on éclaire la préparation au travers d'un
prisme qui décompose la lumière, les bactéries se rassemblent contre l'algue mais essentiellement dans les régions soumises à des
radiations bleues ou rouges. On en déduit que ce sont ces radiations qui sont les plus efficaces pour la production d'oxygène donc pour
la photosynthèse.
Structure de la chlorophylle A, deux grandes parties:
 Ensemble de 4 noyaux pyrrol : structure tétrapyrrolique de la chlorophylle (on en
retrouve dans le règne animal, notamment dans la constitution de l'hémoglobine). Le
positionnement d’un atome de magnésium au sein de ce noyau stabilise l’ensemble de la
structure, qui sera légèrement plus polaire
 Longue chaine apolaire, dite phytol, reliée par une liaison ester au noyau
tétrapyrrolique.
Ces molécules possèdent de nombreuses liaisons doubles conjuguées, donc une
importante délocalisation électronique, caractéristique majeure pour la récupération de
l’énergie, ce qui va exciter les photons et initier la conversion d'énergie lumineuse en énergie
chimique.
Dans la structure des thylakoïdes ces molécules seront toujours associées à des
protéines et vont réagir avec les lipides de la membrane par la chaine apolaire.
c) La captation de l'énergie lumineuse
Une double liaison est composée de deux paires d’électrons n’ayant pas les mêmes caractéristiques :
 Une paire d’électrons σ, relativement pauvres en énergie, établissent une liaison forte. Ils ne sont pas concernés par le
processus mettant en jeu les photons.
 Une paire d’électrons π, riches en énergie, établissent des liaisons plus faibles et vont être amenés à changer constamment de
position suite à la délocalisation électronique et donc osciller entre deux états limites.
Il y a deux chlorophylles majeures : la différence entre les deux: le CH3 (en C6) devient COH pour la chlorophylle b. Cela va
entrainer une différence dans l'absorption des longueurs d'onde.
C’est au niveau du noyau tétrapyrrolique que va se faire l’absorption de l’énergie lumineuse. Lorsque les pigments
chlorophylliens vont recevoir un photon ainsi que l’énergie qu’il véhicule, un ou plusieurs électrons π de la molécule verront leur
énergie augmenter et passeront à un niveau énergétiquement plus élevé. C’est un état excité du pigment chlorophyllien, que l’on note
Chl*. Selon la formule de Planck citée précédemment, la chlorophylle ne recevra pas la même énergie en fonction de la longueur
d’onde du rayonnement. Ainsi, vis-à-vis de l’énergie du rayonnement et de l’absorbance pigmentaire en fonction de la longueur
d’onde, il existe deux principaux états excités des électrons:

 Pour un photon "bleu", l’énergie apportée est supérieure, l’électron
est donc porté d’un état fondamental à un état excité de plus haut niveau
énergétique, le deuxième état singulet, de valeur approximative 270kJ/mol.
Cet état extrêmement instable n’est maintenu que pendant 10-12 secondes,
après quoi l’électron retombe au premier état singulet.
 Pour un photon "rouge", l’énergie apportée est moindre, l’électron
est porté d’un état fondamental à un état excité de niveau énergétique relatif
intermédiaire, le premier état singulet, de valeur approximative 170kJ/mol.
Cet état possède une durée de vie largement supérieure, de l’ordre de 10-8
secondes, permettant une éventuelle création de potentiel électrochimique,
incidemment la conversion entre énergie lumineuse et énergie chimique. La
quantité d’énergie apportée par un photon "rouge" est la quantité d’énergie
minimale nécessaire pour cette conversion.
Après 10-8 secondes au premier état singulet, l’électron doit revenir à l’état fondamental. Il existe trois voies de dissipation de
cette énergie :
 Rayonnement de fluorescence : c’est la voie la moins intéressante vis-à-vis du processus photosynthétique, l’électron
reviendra à son état fondamental en libérant son énergie par un rayonnement de fluorescence. Ce phénomène peut néanmoins
se produire lorsqu’il existe un trop-plein d’énergie sur l’antenne collectrice.
 Résonnance : dans les membranes des thylakoïdes, les pigments et les noyaux tétrapyrroliques sont proches les uns des autres
(distance inférieure à 60 Angstrom), permettant un transfert d’énergie entre deux pigments adjacents. Toutes les molécules
de chlorophylle sont capables de faire de la résonnance.
 Photochimie : seules certaines molécules de chlorophylle sont capables de ce processus, où l’énergie absorbée permettra
l’éjection d’un électron et le chargement positif de la molécule. On pratique alors une transformation entre énergie lumineuse
et potentiel électrochimique. Les couples Chl-/Acc+ intervenant dans ces mécanismes font partie d’une chaîne
d’oxydoréduction. Il existe d'autres pigments tels que les caroténoïdes. Ce sont
des molécules hydrophobes. Les caroténoïdes peuvent être
hydroxylées pour former des xanthophylles qui eux sont un peu
moins apolaires.
Les caroténoïdes ne peuvent que capter l'énergie lumineuse
et la transférer à d'autres molécules, elles ne sont pas capables de
transformer cette énergie. Ces molécules absorbent dans les
longueurs d'onde différentes de celle des chlorophylles. Les caroténoïdes ont un rôle de protection,
quand il y a un surplus d'énergie lumineuse elles vont protéger les pigments.
On trouve chez d’autres organismes photosynthétiques des pigments différents au principe de fonctionnement néanmoins
identique comme les phycobilines qui possèdent un noyau tétrapyrrolique ouvert.
Les molécules de chlorophylles associées à des protéines se trouvent par paquets de 100 molécules : ce sont des antennes
collectrices.
Une antenne collectrice LHC « Light Harvesting Complex » est un complexe ayant
pour rôle de capter les photons. Pour cela, elle est constituée d’une association de pigments et
de protéines positionnée de manière très précise au sein des membranes thylakoïdales. Un
photon capté par les pigments de la périphérie de l’antenne transfèrera son énergie par
résonnance jusqu’à une molécule de chlorophylle a centrale, qui, associée à un centre
réactionnel, sera la seule capable d’effectuer la conversion photochimique en expulsant un
électron et permettant la formation du couple redox.
Cette structure est donc indispensable, dans la mesure où, non seulement elle
permettra la collecte d’un maximum d’énergie en vue
de la conversion photochimique, mais aussi car il faut, en plus des problèmes statistiques liés à
la réception d’un photon par le pigment de conversion, considérer les vitesses relatives des
deux processus en jeu : au niveau d’une antenne collectrice, on estime que dans des conditions
moyennes, un pigment est capable d’absorber l’énergie d’un photon par seconde, alors que le
pigment de conversion photochimique pourra effectuer leur transfert à une vitesse de l’ordre de
100 électrons par seconde. Grâce au
mécanisme d’antenne collectrice, on optimise
le fonctionnement du pigment de conversion.
On notera tout de même que c’est dans le
meilleur des cas que le transfert d’énergie par
résonnance permettra la conservation de
l’énergie absorbée, des pertes sous forme
d’énergie thermique étant possibles. Ainsi, au fur et à mesure du transfert d’énergie
progressivement décroissante, la longueur d’onde induite est progressivement
croissante.

L’électron cédé par la chlorophylle du centre réactionnel lors de la conversion lui
sera rendu par un donneur, ici une molécule d’eau.
Comme indiqué précédemment, nous retrouverons sur les membranes du
thylakoïde un grand nombre de complexes protéiques. Au cours de la réaction
photosynthétique, il faudra considérer en particulier deux grands complexes, que sont les
photosystèmes 1 et 2. En mesurant l’activité synthétique de la plante en fonction de la
longueur d’onde de l’éclairement, on obtient une courbe que l’on appelle "spectre
d’action". En le comparant avec le spectre d’absorption des différents pigments, on
observe un recouvrement des données signifiant que l’activité photosynthétique est
fonction de l’absorbance des pigments.
L'efficacité de la photosynthèse, son spectre d'action recoupe globalement le
spectre d'absorption des pigments.
III – Action des facteurs internes et externes
Dans des conditions optimales l'accumulation du CO2 est de 40mg par g de matière sèche.
1 – Facteurs internes
Ils correspondent à l’état physiologique de la plante : en fonction des carences, de la "dépression de midi", ou d’un éventuel état
de sénescence de la feuille, il est évident que celle-ci ne sera pas en mesure d’effectuer une photosynthèse optimale. La "dépression de
midi" correspond à une baisse de l’activité photosynthétique due à la fermeture, durant les heures les plus chaudes de la journée, des
stomates, dans le but d’un maintien du potentiel hydrique de la plante. Celle-ci a lieu préférentiellement les jours de grand
éclairement.
Des facteurs structuraux peuvent aussi entrer en jeu, comme par exemple le nombre de stomates ou la densité du parenchyme
2 – Facteurs externes
a) Eclairement
Puisque ce sont les photons arrivant sur la plante qui confèrent l’énergie nécessaire à
l’activité photosynthétique, il est bien évident que la modification des paramètres de
l’éclairement définira l’efficacité de cette activité.
Cette dernière peut être mesurée en fonction de l’éclairement, exprimé en micromole de
photon par unité de surface et de temps. Les résultats expérimentaux nous permettent de
constater que, lorsqu’aucun photon n’arrive aux feuilles, la photosynthèse nette est négative.
Afin d’expliquer cette observation, il ne faut pas oublier que les cellules végétales
possèdent des mitochondries et pratiquent donc la respiration en parallèle à la photosynthèse.
Lorsque l’éclairement est nul, l’activité photosynthétique est nulle, mais la respiration se
maintient, d’où la relation suivante :
Photosynthèse nette = photosynthèse brute – respiration
Le point où l’activité photosynthétique et l’activité respiratoire s’équilibrent parfaitement, revenant à une assimilation nette de
carbone nulle, est le point de compensation, noté Ic. C’est à partir de cette valeur que, pour des éclairements croissants, la
photosynthèse deviendra prédominante sur la respiration : on passera de la consommation à la production de produits carbonés.
Dans un intervalle de valeurs qui diffère d’une plante à l’autre, la photosynthèse nette augmentera de manière linéaire en
fonction de l’intensité lumineuse. Sur cet intervalle, le coefficient exprimant la proportionnalité entre l'éclairement et l'activité
photosynthétique est φ. La photosynthèse étant limitante, on arrive à un plateau d’activité photosynthétique repéré par le po int Is,
l’intensité de saturation, où l’éclairement sollicitera tous les systèmes disponibles en termes d’assimilation du CO2. Dans certains cas,
l’activité synthétique peut même redescendre, les pigments pouvant être photooxydés par une trop forte intensité lumineuse.
Toutes les plantes dans leur environnement ne sont pas soumises à la même
réception lumineuse, on peut ainsi distinguer des plantes de lumière et des plantes
d’ombre, qui ont des comportements face à la luminosité équivalents, mais des points
de compensation différents. Chez les plantes d’ombre cette compensation intervient
pour un éclairement beaucoup plus faible qu’une plante de lumière. Si elles avaient le
même point de compensation que les plantes de lumière, leur respiration prendrait le
pas sur leur photosynthèse, étant réparties dans un intervalle d’éclairement de faibles
valeurs. Leur point de compensation abaissé leur permet ainsi d’assurer leur activité
photosynthétique pour des éclairements très bas, mais les fera saturer de manière très
rapide en comparaison aux plantes de jour, par rapport auxquelles leur niveau de
photosynthèse nette reste globalement inférieur. On constate enfin pour certaines
plantes d’ombre une baisse de l’activité photosynthétique due à une photooxydation
pour des valeurs d’éclairement importantes.

b) La teneur en CO2 Les expériences sont faites en laboratoire, car en conditions normales, la teneur en CO2
ne varie pas de jour en jour, elle évolue lentement. La teneur en CO2 dans l'atmosphère est de
0,034% en volume.
Cette teneur en CO2 est limitante : si on augmente le taux de CO2, on augmente l'activité
photosynthétique de la plante.
Il y a une faible teneur en CO2 dans l'atmosphère, mais pourtant les plantes en
accumulent beaucoup: ce phénomène est du au fait que les plantes brassent beaucoup de litres
d'air, les échanges gazeux sont très importants.
Pour synthétiser 1g de matière sèche les plantes vont brasser 3000L d'atmosphère.
Grâce à des expérimentations menées en laboratoire, on constate que pour une plante
donnée, l’influence du CO2 est coordonnée et simultanée à celle de la lumière.
La température et l'humidité vont assez souvent de paire. On peut dire de manière
générale que l’augmentation de température aura un effet positif jusqu’à certaines valeurs aux
alentours de 25 à 30°C. A l’inverse, lorsque la température dépassera les 30 à 35°C, nous
aurons des effets inhibiteurs, en plus des phénomènes d’économie d’eau basés sur le modèle
de la "dépression de midi".
Nous verrons plus tard dans ce cours comment un certain nombre de plantes se sont
acclimatées à des milieux plus arides. De la même manière, pour l’humidité, les mêmes
variations produiront les mêmes effets.
Pour l’oxygène, de la même manière que le CO2, la teneur ne variera pas à l’échelle de
la vie de la plante. Des essais en laboratoire ont permis de montrer que l’augmentation de cette teneur induit la diminution de
photosynthèse nette.
IV – Les réactions d'oxydo-réduction et photosystèmes
Grâce aux mesures de la concentration en oxygène en fonction de l’éclairement et de la présence de CO2, on constate que cet
oxygène ne va être dégagé que si la plante est soumise à la lumière, et que l’un des substrats de la réaction va être le CO2. Ainsi, s’il y
a de la lumière et du CO2, l’activité synthétique pourra avoir lieu.
L’assimilation de CO2 conduit à la synthèse d’un certain nombre de glucides, substrats énergétiques pour la plante. Parmi ces
glucides figure l’amidon. La production de cet amidon en fonction de l’éclairement peut être mise en évidence par dépigmentation à
l’alcool et coloration au Lugol d’une feuille dont on coupe l’arrivée des photons sur une certaine zone.
- L'eau apparaît comme un donneur d'électrons et d'hydrogène et le CO2 comme un accepteur d'électrons et d'hydrogène.
- Il faut distinguer les plantes supérieures et les cyanobactéries qui réalisent une photosynthèse oxygénique:
- 2H2O+ CO2 O2 + CH2O+H2O
- Et les bactéries anaérobies qui réalisent une photosynthèse anoxygénique:
- 2H2S+ CO2 S2 + CH2O+H2O
- 2H2+ CO2 O2 + CH2O+H2O
1– Oxydo-réduction
a) La réaction de Hill En lumière continue, les chloroplastes isolés en suspension dans un tampon produisent
du CO2 à condition qu'un accepteur d'électrons soit ajouté. Cette réaction se réalise en
l'absence de CO2.
Il n'y a pas, contrairement à ce que l'équation laisse penser de relation entre l'eau et le
CO2, entre les deux il y a des accepteurs et des donneurs d'électrons, donc une chaine
d'oxydo-réduction.
Réactions "claires" et réactions "sombres".
L'équipe de Ruben et Coll. montra qu'en utilisant du 14C que le CO2 peut être fixé en
absence de lumière. Si la réaction d’oxydation de l’eau ne peut avoir lieu qu’en présence de
lumière, la réaction de réduction peut, elle, se réaliser à l’obscurité.
En utilisant l'eau dont l'oxygène 16O avait été remplacé en partie par l'isotope lourd 18O, la même équipe montra que l'O2
rejeté contenait du 18O. Par contre, si le milieu contient du C18O2, c'est du 16O2 qui est rejeté.
L'02 émis provient de l'oxydation de l'eau et non de la réduction du CO2.
Ces expériences ont amené un premier concept de la photosynthèse, à savoir la division du mécanisme photosynthétique deux
grands types de réaction :
 Les réactions "sombres" qui ne nécessitent pas de lumière
 Les réactions "claires", qui ont besoin de lumière