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.
27 novembre
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).
Expérimentalement, 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 ).
Interprétation :
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* et travaille en lumière continue.
*réactif de Hill : hexaferricyanure de
potassium, Fe3+(CN-)6K3
Fe3+ (ferricyanure) +1 e- →
Fe2+ (ferrocyanure)
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+ +
4 e- → 2 Fe2+
L'O2 vient donc de la molécule d'eau
qui s'oxyde en présence de lumière dans les chloroplastes.
Dans les conditions naturelles de la
photosynthèse, l'oxydation de l'eau s'accompagne de la réduction
d'un intermédiaire (ici remplacé par le ferricyanure) qui servira
de donneur d'électrons pour la réduction du CO2
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) + 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
Chaque couple étant caractérisé par son
potentiel standard d'oxydo-réduction (E'0),
on constate que le transfert des électrons ne
peut se faire spontanément, et dans le sens des potentiels
croissants.
Cette réaction est rendue possible grâce à
l’énergie de la lumière.
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,
