Coupe transvesrale du limbe d'une feuille de dicotylédone. Seuls sont représentés schématiquement, un stomate composé de ses deux cellules de garde, l'épiderme et sa cuticule et quelques cellules de parenchyme chlorophyllien séparées par des méats aérifères et maintenant une grande chambre sous stomatique aérifère sous le stomate. On constate que les gaz de l'atmosphère sont en continuité avec cette chambre et les méats grâce à l'ostiole du stomate. Remarquons que dans l'épiderme, seules les cellules stomatiques sont pourvues de chloroplastes.

Remarque : de nombreuses plantes adaptées à la sécheresse (Cactacées, Crassulacées, Euphorbiacées, ...) ont leurs stomates fermés le jour pour limiter les pertes d'eau et ouverts la nuit pour capter le CO₂. Leur métabolisme est également différent...

Pb : Comment l'énergie lumineuse est-elle convertie en énergie chimique ? Comment est assurée l'assimilation du CO₂  ? Quelle est l'origine du dioxygène libéré ?

III- Les pigments chlorophylliens

1- Localisation des pigments chez les Eucaryotes photosynthétiques (plantes, algues)

Source : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Chloroplaste/met.htm

Les pigments chlorophylliens liposolubles sont enchassés dans la membrane des thylakoïdes qui baignent dans un gel hydraté : le stroma.

Remarque : la présence d'ADN, de ribosomes et d'une double membrane est un argument de poids en faveur de la théorie endosymbiotique selon laquelle les chloroplastes (comme les mitochondries d'ailleurs)  étaient des bactéries à l'origine...

Pb : comment extraire et isoler les pigments chlorophylliens ?

2- Séparation des pigments chlorophylliens par chromatographie

Source : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp22.html

Par chromatographie, on peut séparer plusieurs types de pigments dans les feuilles : - Les pigments solubles dans les solvants organiques : chlorophylles a et b (verts), caroténoides (orange). - Les pigments insolubles dans les solvants organiques mais solubles dans l'eau : anthocynanes (bleus).

Pb : Pourquoi les pigments sont-ils colorés  ? Quel est le lien entre ces pigments et la photosynthèse ?

3- Spectre d'absorption et activité photosynthétique

Les pigments absorbent principalement la lumière bleue et rouge, ce qui explique la coloration verte des feuilles. Il y a une bonne correspondance entre le spectre d'absorption des pigments et le spectre d'action photosynthétique : les longueurs d'onde absorbées sont utilisées pour la photosynthèse.

Remarque :  chez les végétaux terrestres, les pigments solubles dans l'eau comme les anthocyanes (présents dans les vacuoles), ne jouent aucun rôle dans la photosynthèse.

Pb : quel rôle les pigments jouent-ils dans la photosynthèse ? Quelles sont les étapes de la photosynthèse ?

IV- Les étapes de la photosynthèse

1- Expériences d'Emerson et Arnold (1932)

Ces expériences ont été réalisées sur des algues vertes unicellulaires (Chlorelles) en suspension. L’incorporation du CO2 est mesurée 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). 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).

Dans les conditions de cette expérience (éclairement total bref et saturant), il faut une période sombre importante pour obtenir une photosynthèse maximale. Ceci suggère que des intermédiaires sont formés à la lumière rapidement (de manière quasi insensible à la température) = réactions photochimiques, et qu'ils sont utilisés beaucoup plus lentement par des réactions chimiques (sensibles à la température) = réactions biochimiques d'assimilation du CO2 .

Pb : en quoi consiste exactement cette phase photochimique ?

2- La phase photochimique : 1ère étape de la photosynthèse

En 1937, Hill réalise son expérience sur une suspension de chloroplastes éclairée et utilise, en absence de CO2, un réducteur artificiel : le ferricyanure de potassium (réactif de Hill)

En absence de CO2, les chloroplastes sont capables de libérer du dioxygène, à condition qu'un accepteur d'électron (Fe3+) soit présent dans le milieu.

On peut expérimentalement remplacer le réactif de Hill par le DCPIP (dichloro-phéno-indo-phénol) qui a la propriété d'être bleu à l'état oxydé et incolore à l'état réduit. Le matériel biologique est une suspension de chloroplastes préparée à partir, par exemple, de feuilles d'épinard.

Le DCPIP est décoloré, donc réduit à la lumière par la suspension de chloroplastes.	En absence de source carbonée, à la lumière, les chloroplastes isolés produisent un dégagement de dioxygène, parallèlement à la réduction du DCPIP.

Source : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp44.html

Extrait du manuel de Terminale spe SVT Belin 2012 p21 (modifié)

 

la photosynthèse peut donc être séparée en 2 réactions couplées à un système d'oxydo-réduction. Dans les conditions naturelles de la photosynthèse, ce rôle d'accepteur d'électron est rempli par le NADP+ (Nicotinamide Adénie Dinucléotide Phosphate). Le couple NADP+ / NADPH joue ainsi le rôle d'intermédiaire entre l'oxydation de l'eau et la réduction du CO2. Il existe en fait une série de couples redox qui transfèrent successivement les électrons jusqu’à un accepteur final, le long d’une chaîne d’oxydo-réductions dans la membrane du thylacoïde. Avec les protons issus de la photooxydation de l'eau, le lumen devient plus acide que le stroma et un flux transmembranaire de H+ permet in fine de synthétiser de l'ATP (Adénosine Triphosphate), molécule portant l'énergie dans ses liaisons P-P. La phase photochimique correspond donc à la synthèse d'un pouvoir réducteur (le NADPH) et d'un pouvoir énergétique (l'ATP).

Remarque : pour certains auteurs, la photosynthèse au sens strict se limite à la synthèse du pouvoir énergétique et du pouvoir réducteur. Dans ce cours, comme dans beaucoup d'ouvrages, nous inclurons l'assimilation du dioxyde de carbone et la synthèse de molécules carbonées dans la photosynthèse (prise donc au sens large)

 

 

Pour aller plus loin (attention, hors programme!) : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese-cours/12-schemaz.htm

 

3- La phase chimique : 2ème étape de la photosynthèse

 

Ce sont les expériences de Calvin (1952) et Bassham et Calvin (1959) qui ont permis de connaître la nature du premier composé carboné formé par la photosynthèse.

Source

L'incorporation du CO₂ se réalise donc de la manière suivante :

En 1962, une expérience complémentaire menée par Calvin et Benson permet de confirmer le sens de ces réactions :

La phase chimique se déroule dans le stroma des chloroplastes et se déroule en 3 étapes au cours du cycle de Calvin : 1ère étape : fixation du CO2 sur un composé organique en 5 carbone, le ribulose biphosphate (RuBP), grâce à une enzyme clé : la Rubisco. le composé en C6 est scindé en deux molécules en C3 : l'APG (Acide phosphoglycolique) 2ème étape : réduction de l'APG en 3-phosphoglycéraldéhyde (G3P) grâce à l'ATP et au NADPH produit à la phase photochimique. 2 G3P (molécule en C3) sur 12 servent à la synthèse du glucose (molécule en C6) 3ème étape : régénération du RuBP à partir du G3P restant grâce à l'ATP produit à la phase photochimique.

Remarque 1 : la Rubisco est l'enzyme la plus abondante sur Terre

 

Remarque 2 : cette enzyme est peu spécifique. Elle catalyse aussi bien la fixation du CO2 que celle de l'O2 sur le RuBP!

Remarque 3 : son activité est indirectement dépendante de la lumière. Elle ne fonctionne qu'à la lumière car elle nécessite du Mg2+ qui passe dans le stroma pour compenser alors l'entrée de H+. Enfin, son activité est maximale à pH 8, pH du stroma dans un chloroplaste éclairé...

 

L'ancienne terminologie "phase sombre" ou "non photodépendante" pour cette phase chimique est donc totalement injustifiée