2/ Chloroplastes, organites photosynthétiques
Organite, chloroplaste, thylakoïde [thylakos : poche], granum [latin granum (« grain »)], stroma [grec στρῶµα strôma, génitif στρώµατος strốmatos ce que l'on étend, latin strōma couverture], enveloppe
Chloroplaste : organite eucaryote autotrophe pour le carbone, constitué de deux membranes (enveloppe) entourant des thylakoïdes baignant dans un stroma.
3/ Expériences historiques sur la photosynthèse
Étudier des expériences historiques sur la photosynthèse
Au XVIIe, Lavoisier démontre que le gaz libéré par la respiration animale ou par la combustion d'une chandelle, est formé de carbone et d'oxygène
En 1772 le dégagement d'oxygène par les plantes vertes fut découvert par le pasteur physicien et philosophe anglais Joseph Priestley (1733-1804)
Priestley réalise les expériences suivantes entre 1771 et 1777 :
Lorsqu'il allume une bougie dans un espace clos (cloche de verre), la bougie finit par s'éteindre.
Lorsqu'une souris est introduite dans cet espace clos, elle décède rapidement.
Lorsque que l'expérience est répétée avec une plante de menthe, il constate que la plante ne meurt pas avant plusieurs semaines.
A l'issue de cette période, lorsqu'une souris vivante est introduite dans l'espace clos, elle ne meurt pas et une bougie allumée ne s'éteint pas immédiatement.
En 1779, le Hollandais Jan Ingen-Housz (1730-1799) découvre que ce dégagement n'a lieu qu'à la lumière
En 1782 Jean Senebier (1742-1809) à Genève prouve la nécessité du dioxyde de carbone
En 1804 Nicolas Théodore de Saussure (1767-1845), de Genève, démontre que l'eau participe à la réaction.
En 1845, trois années après avoir énoncé le principe de la conservation de l'énergie, le médecin et physicien allemand Julius Robert von Mayer (1814-1878) discerne l'aspect fondamental du phénomène :
En 1860 l'accumulation d'amidon dans des feuilles éclairées est découverte,
à partir de 1880,le biologiste et physiologiste russe Kliment Arkadievitch Timiriazev (1843-1920) trace les premiers spectres de lumière active,
et le botaniste et physiologiste allemand Theodor Wilhelm Engelmann (1843-1909) reconnaît la photosynthèse des algues rouges et la photoréduction du gaz carbonique réalisée par quelques bactéries.
Au début du XXe siècle, on introduit la distinction entre réactions photochimiques, résultant de l'absorption de la lumière par les pigments, et réactions sombres, catalysées par des enzymes.
À la même époque, on reconnaît le caractère quantique des phénomènes photochimiques ; la loi d'Einstein stipule que toute transformation photochimique élémentaire exige l'absorption d'un quantum de lumière (photon) par une des molécules prenant part à cette transformation.
1932 Emerson et Arnold : existence de deux types de réactions
Ces expériences ont été réalisées sur des algues vertes unicellulaires (Chlorelles) en suspension, à l'aide d'un tube néon intense on produit des éclairs brefs (10 µs) séparés par des intervalles variables d’obscurité (entre 1 et 40 ms). Chaque mesure est réalisée pour un total de 10 000 éclairs de 10 µs (soit un total de 1 s 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 ).
résultats : plus la période sombre augmente, plus le CO2 est incorporé. Dans les conditions d’éclairement total bref et saturant, il faut une période sombre 2 000 fois plus importante pour obtenir une photosynthèse maximale :
à 25 °C: il faut une période sombre totale d’environ 20 ms
à 5°C: il faut une période sombre totale de plus de 40 ms
des intermédiaires sont formés à la lumière rapidement de manière quasi insensible à la température (réactions photochimiques)... ils sont utilisés beaucoup plus lentement par des réactions chimiques sensibles à la température (réactions biochimiques). Ces deux groupes de réactions dites "claires" et "sombres" se déroulent conjointement à la lumière donc il faut préférer les termes de "réactions photochimiques" et de "réactions biochimiques d"assimilation du CO2" respectivement.
1937 Hill : la libération de O2 nécessite un accepteur d’électrons
Hill utilise des chloroplastes isolés dans un tampon sans CO2. Il mesure les variations de dioxygène à l'aide d'une électrode à O2. Il ajoute un accepteur d'électrons, le réactif de HILL ' hexaferricyanure de potassium, Fe3+(CN-)6K3) et travaille en lumière continue.
Le rejet d'O2 est donc bien la conséquence d'une oxydoréduction.
En présence de lumière, on a donc
une oxydation de l'eau : 2 H2O → 4 H+ + 4 e- + O2
Le ferricyanure est réduit : 2 Fe3+(ferricyanure) + 4 e- → 2 Fe2+(ferrocyanure)
1941 Ruben et Kamen : origine de l'oxygène
Pour que cette réaction soit bien démontrée, il faut comprendre l'origine des corps formés.
Le carbone des glucides provient forcément du carbone du CO2
mais d'où vient le O² formé ?
On pouvait penser qu'il provenait de l'oxygène du CO2 mais ce n'est pas le cas.
Ruben et Kamen ont utilisé un isotope lourd de l'oxygène (18O) à la place de l'oxygène habituel (16O) et ils ont marqué ainsi diverses molécules (H2O, CO2).
Si de l'H2O est marquée par le 18O, le O2 produit est marqué. => c'est l'eau qui est à l'origine du dioxygène produit.
Pour former une molécule de O2 il faut donc 2 molécules d'H2O.
La réaction globale de la photosynthèse devient donc : CO2 + 2H2O + lumière → (CH2O)n + H2O + O2
Cette dernière équation prend en compte non seulement l'origine du carbone des glucides mais également l'origine de l'oxygène produit.
Avec l'exemple du glucose : 6CO2 + 12H2O + lumière → C6H12O6 + 6H2O + 6O2
Ces résultats montrent que l'on peut décomposer la réaction photosynthétique en deux groupes de réactions :
Oxydation de l'eau : 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-
Réduction du carbone : CO2 + 4 H+ + 4 e- → (CH2O) + H2O
Dans le chloroplaste, les transferts d'électrons font intervenir une série complexe de transporteurs et d'intermédiaires redox dans les thylakoïdes.
1952-1959 Calvin et Benson : nature des composés carbonés formés
La tubulure conduit les algues dans du (m)éthanol bouillant, ce qui bloque immédiatement les réactions métaboliques en dénaturant les enzymes.
Selon le point d’injection du dioxyde de carbone radioactif dans la tubulure, le temps d’exposition des algues au 14CO2, et donc le temps pendant lequel elles peuvent incorporer le carbone dans les différents produits synthétisés, peut varier d’une seconde à plusieurs minutes.
On peut ainsi identifier l’ordre des produits formés.
Les chlorelles incorporent le dioxyde de carbone radioactif de la même façon que le dioxyde de carbone non radioactif.
Les produits synthétisés en présence de 14CO2 sont eux-mêmes radioactifs et peuvent être séparés et identifiés par chromatographie bidimensionnelle sur papier.
Le chromatogramme est ensuite appliqué sur un film photographique qui noircit au niveau des substances radioactives.
après moins de 5 secondes, c'est un composé en C3, l'APG (PGA) ou acide PhosphoGlycérique qui est le premier composé formé.
Ensuite, se sont des oses bis-phosphates dont un sucre en C5, le Ribulose bis-phosphate ou RUBP
puis la plupart des sucres (trioses phosphate, saccharose, ...),
des acides organiques (malate, ...) et des acides aminés (glycine, ...) qui sont marqués
photolyse de l’eau,
réduction du CO2,
Les parties aériennes de la plante sont les lieux de production de matière organique par photosynthèse.
Captée par les pigments chlorophylliens au niveau du chloroplaste, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique par la photolyse de l’eau, avec libération d’O2 et réduction du CO2 aboutissant à la production de glucose et d’autres sucres solubles.
