La photosynthèse
Une des caractéristiques essentielles chez les cactacées réside dans le fonctionnement particulier de leur photosynthèse. Ainsi, pour comprendre ce phénomène si singulier, nous avons du nous pencher plus en détail sur la photosynthèse, qui s'est avérée plus compliquée qu'une simple équation dans un manuel de seconde.
La phase photochimique
La photosynthèse est réalisée en deux étapes successives. La première étape est appelée phase photochimique et elle consiste en la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique. Les produits de la phase photochimiques sont utilisés ensuite pour effectuer la synthèse du CO2 lors de la deuxième phase appelée phase chimique.
La photosynthèse a lieu dans les cellules chlorophylliennes des végétaux.
La phase photochimique a besoin de lumière (d’où le mot photosynthèse). Elle a lieu dans les chloroplastes, au niveau de la membrane des thylakoïdes.
En TP de physique nous avons étudié l'absorbance d'une solution contenant les pigments extraits des épinards afin de préciser les radiations lumineuses captées lors de la photosynthèse.
Nous avons placé dans un mortier un peu de sable, ajouté quelques feuilles d'épinard bien vertes coupées en petit morceaux. Nous les avons broyées à sec, puis nous avons versé quelques mL d'éthanol à 90°C dans le mortier pour solubiliser certaines substances et nous avons continué à écraser la pâte pendant 5 minutes. Nous avons ensuite filtré le contenu du mortier et conservé la solution obtenue dans un bécher.
Nous avons mesuré l’absorbance grâce à un spectrophotomètre. Une fois les données collectées, nous avons pu réaliser le spectre A= f(λ) de la chlorophylle brute, c'est à dire tracer la courbe d'absorbance de la solution chlorophylle en fonction de la longueur d'onde de la lumière.
Nous observons grâce à la courbe obtenue que la solution absorbe principalement les radiations lumineuses aux alentours de 400 nm, c'est à dire bleues, et un peu aux alentours de 670 nm, c'est à dire dans le rouge.
Le NADP+ correspond au R et NADPH correspond au RH2.
Nous sommes allées chercher des informations plus précises sur internet sur la chlorophylle et sa courbe d'absorbance.
Nous savons donc que la chlorophylle est un pigment caractéristique des plantes vertes, localisé dans les chloroplastes. Ils assurent l'absorption d'une partie de l'énergie des
rayons solaires, ce qui rend possible la photosynthèse.
La chlorophylle étant un pigment, elle a la caractéristique d’absorbé la lumière dans le visible :
la chlorophylle a : 430 (bleu) et 660 nm (rouge).
Tout d'abord, l'énergie lumineuse est captée par le premier photosystème de la membrane du thylakoïde : le photosystème II. Cette énergie lumineuse est essentielle au déroulement de la photolyse de l'eau.
La photolyse de l’eau utilise l'énergie chimique créée pour décomposer l'eau en électrons, protons et dioxygène.
H2O → 2H+ + 2e- + ½O2
ou
2 H2O → 4H+ + 4e- + O2
La photolyse produit donc des électrons qui se déplacent le long de la membrane du thylakoïde, en passant par plusieurs photosystèmes. Arrivés au deuxième photosystème (le complexe b6-f), l'énergie libérée par les électrons permet l'entrée de 2H+.
Les H+ sont amenés par la suite vers l'ATP synthase.
Nous avons pu relevé une expérience dans un manuel de biologie BCPST 1ère année.
L’expérience consiste a mettre des thylakoïdes dans un milieu de ph 4, c'est à dire acide, ce qui favorise l'entrée de H+ dans les thylakoïdes. Puis ils sont transférés dans un milieu basique de pH8. Par souci d'équilibre de potentiel, les ions H+ vont sortir des thylakoïdes. Les scientifiques ont constaté que ce phénomène engendrait la synthèse de l'ATP. Cela prouve donc que le passage des ions de l'intérieur à l'extérieur des thylakoïdes permet la synthèse de l'ATP.
Voici le fonctionnement plus détaillé de ce phénomène qui a lieu dans un complexe enzymatique précis des thylakoïdes : l'ATP synthase.
La synthèse d’ATP est réalisée à partir d’ADP et de Pi. Les H+ vont passer dans l’ATP synthase (chose prouvée par l'expérience précédente). L’énergie que vont libérer les H+ va faire tourner la molécule ATP synthase et donc donner de l’énergie pour que l’ADP et le Pi se lient et forment de l'ATP.
L'ATP est une molécule qui contient de l’énergie.
Les électrons et les protons résultant de la photolyse de l’eau sont transférés à un accepteur R qui passe de l’état oxydé R à l’état réduit RH2.
R + 2H+ + 2e- → RH2
L’oxydation de l’eau et la réduction nous donne une oxydoréduction.
R + H2O → RH2 +1/2 O2
ou
2R + 2H2O → 2RH2 + O2
Le dioxygène sera par la suite rejeté comme sous-produit par les stomates.
Le RH2 chargé en énergie, sera lui utilisé dans la 2ème partie de la photosynthèse.
Schéma bilan de la phase photochimique/claire
La phase chimique
La phase chimique correspond au cycle de Calvin, elle permet l'incorporation du dioxyde de carbone dans les molécules organiques comme le glucose.
La phase sombre nécessite les RH2 , source de protons et d'électrons, produits lors de la phase photochimique ainsi que l'ATP qui fourni l'énergie nécessaire à cette réaction. On remarque que sans la phase photochimique, la phase chimique ne peut pas avoir lieu. Cette phase permet une réduction du CO2 en matière organique. Les RH2 sont oxydés et redonnent des R qui retournent au niveau de la membrane thylakoïdale et qui peuvent à nouveau être transformés en RH2 lors de la phase claire. L'ATP une fois consommée, redonne les éléments ADP et Pi qui pourront par la suite être rassemblés lors d'une synthèse d'ATP. L'ATP et les RH2 sont donc des molécules régénérées dans les chloroplastes lors de la phase photochimique.
Le bilan de cette phase chimique est :
6 CO2 + 6 RH2 + ATP → C6H12O6 + ADP + Pi + 6R
