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PHOTOSYNTHSE et
CHLOROPHYLLES :
vido sur la photosynthse et la chlorophylles
Le terme photosynthse signifie littralement: synthse ralise
laide de lnergie lumineuse.
Bien que, en ce sens, diffrentes ractions synthtiques puissent
avoir lieu
indpendamment des tres vivants, il est dusage de ne dsigner par
ce mot que la capacit des vgtaux chlorophylliens assimiler le
dioxyde de carbone ou gaz
carbonique, la lumire, avec formation de substances organiques.
On lappelait autrefois assimilation chlorophyllienne.
Plus prcisment, la photosynthse comprend lutilisation de lnergie
lumineuse pour la rduction du dioxyde de carbone par leau, donneur
dhydrogne (ou dlectrons + protons), avec synthse de glucides et
libration doxygne.
Cette raction est ralise dans des organites intracellulaires
spcialiss, les
chloroplastes, porteurs de pigments photorcepteurs, tels que les
chlorophylles, les
carotnodes .
La rduction du dioxyde de carbone par leau (ou, chez les
bactries chlorophylliennes, par dautres substances telles que
lacide sulfhydrique, lhydrogne ou bien un compos organique, un
actate par exemple) ncessite un apport dnergie assez lev.
Loriginalit du mcanisme est dutiliser des photons et de les
convertir en nergie chimique qui se retrouve dans lnergie de
liaison des atomes de carbone et dhydrogne dans les glucides
forms.
Huit photons au moins sont ncessaires pour permettre la rduction
dune molcule de dioxyde de carbone par leau.
Deux types de ractions participent cette rduction.
Les unes, purement photochimiques, se droulent entre les photons
absorbs et les
molcules de pigments.
Les autres, ractions sombres, concernent la biochimie du
carbone; elles se prsentent
schmatiquement comme linverse du mcanisme respiratoire
consommateur de glucides et doxygne avec formation de dioxyde de
carbone et deau.
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La liaison entre ces deux types de ractions est ralise par des
transporteurs dlectrons (+ protons) appartenant aux
nuclotides-phosphates, et par ladnosine-triphosphate, ou ATP, que
lon retrouve dans toutes les ractions bionergtiques .
1. Les tapes de la dcouverte
Le dgagement doxygne par les plantes vertes fut dcouvert par le
pasteur physicien et philosophe anglais J. Priestley en 1772,
quelques annes avant que Lavoisier ne
dmontre que le dioxyde de carbone libr par la respiration
animale, ou par la
combustion dune chandelle, est form de carbone et doxygne.
En 1779, le Hollandais J. Ingen Housz dcouvre que ce dgagement
na lieu qu la lumire; J. Senebier Genve, en 1782, prouve la ncessit
du dioxyde de carbone et, en
1804, N. T de Saussure, de Genve galement, dmontre que leau
participe la raction.
En 1845, trois annes aprs avoir nonc le principe de la
conservation de lnergie, le physicien allemand R. Mayer discerne
laspect fondamental du phnomne: Les plantes prennent une force, la
lumire, et engendrent une force, lnergie chimique.
Vingt ans aprs, laccumulation damidon dans des feuilles claires
est dcouverte, puis, partir de 1880, les premiers spectres de
lumire active sont tracs par C.
Timiriazev, en Russie, et T. W. Engelmann, en Allemagne,
reconnat la photosynthse
des algues rouges et la photorduction du gaz carbonique ralise
par quelques
bactries.
Au dbut du XXe sicle, on introduit la distinction entre ractions
photochimiques,
rsultant de labsorption de la lumire par les pigments, et
ractions sombres, catalyses par des enzymes.
la mme poque, on reconnat le caractre quantique des phnomnes
photochimiques; la loi dEinstein stipule que toute
transformation photochimique lmentaire exige labsorption dun
quantum de lumire (photon) par une des molcules prenant part cette
transformation.
Pour tre efficace photochimiquement, la lumire doit tre
absorbe.
La photosynthse nchappe pas cette loi: son spectre daction est
trs peu prs identique au spectre dabsorption des pigments
photosynthtiques (essentiellement les chlorophylles) .
Les radiations photosynthtiquement actives sont comprises entre
400 et 700 nm pour
les vgtaux verts, elles stendent jusqu 890 nm pour les bactries
photosynthtiques.
Contrairement aux ractions photochimiques, les ractions sombres
(ou encore
thermiques) sont acclres par une lvation de temprature.
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Celles de la photosynthse prsentent beaucoup danalogie avec
celles du mtabolisme gnral et de la respiration en particulier.
Les ractions sombres se droulent spontanment, avec libration
dnergie libre (sens exergonique).
Loriginalit de la photosynthse est de les coupler aux ractions
photochimiques, transformant lnergie des photons en nergie
chimiquement utilisable, pour raliser un processus par lui-mme
globalement endergonique:
La rduction dune molcule de dioxyde de carbone et simultanment
loxydation de deux molcules deau donnent lieu la formation dun
chanon glucidique (CHOH) et la libration dune molcule doxygne.
Ce processus ncessite au minimum lutilisation de 8 einsteins (ou
moles de photons), soit lquivalent de 1380 kJ/mole.
Le rendement de la photosynthse est donc au mieux de 30 p. 100
environ.
Aprs la Seconde Guerre mondiale, les recherches en photosynthse
ont connu un essor
considrable.
Dans une premire priode, elles ont t marques par llucidation,
grce lemploi des isotopes radioactifs, des nombreuses tapes sombres
de lintgration du carbone.
La priode qui lui a succd a vu un trs grand dveloppement des
mthodologies
biophysiques (spectroscopie, cintique), des tudes structurales
par microscopie
lectronique notamment et des mthodes de plus en plus labores
dobtention de fractions subcellulaires actives (sparations
diverses, lectrophorse, etc.).
Chacune de ces approches concerne certains aspects seulement de
lappareil photosynthtique, mais lensemble converge vers une vision
de plus en plus cohrente de la faon dont les structures
supramolculaires de lappareil photosynthtique assurent lensemble
des fonctions lmentaires permettant la conversion photosynthtique
de lnergie lumineuse .
2. Lappareil photosynthtique
Dans les feuilles vertes des plantes, dans les algues, la
photosynthse est ralise par des
organites spcialiss: les chloroplastes.
Ils possdent toujours une enveloppe forme de deux membranes: une
externe perfore
et une interne dote de permabilit slective.
On y reconnat la prsence dune structure fondamentale, la
lamelle, remarquablement constante dans son architecture molculaire
gnrale.
Il sagit dune bicouche lipidique (7 nm environ dpaisseur), dans
laquelle sont ancres des macromolcules lipoprotiques ou des
complexes protiques oligomriques.
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La fluidit des lipides membranaires (composs principalement de
phospholipides et de
galactolipides) autorise une certaine libert de mouvement latral
de ces complexes.
Toutes les molcules fonctionnellement associes aux tapes
primaires de la
photosynthse sont intgres soit au sein de la membrane
(plastoquinones), soit comme
protines membranaires (cytochromes), soit lies de faon non
covalente celles-ci
(chlorophylle des antennes et des centres).
Mais certaines protines (mtallo-protines telles la plastocyanine
(Cu) ou la ferrdoxine
(Fe)) sassocient de faon non permanente certains sites de la
membrane.
Les plus gros complexes membranaires sont la fois visibles en
microscopie lectronique
et isolables aprs destruction mnage de la membrane elle-mme, de
sorte quune localisation et une distribution assez prcise de ces
particules dans le plan de la
membrane et selon sa normale a pu tre aborde.
Chez les eucaryotes photosynthtiques (tous les vgtaux
chlorophylliens), il existe deux
autres niveaux dorganisation englobant lorganisation
supramacromolculaire considre ci-dessus.
Dune part, les lamelles forment au sein du chloroplaste un rseau
de vsicules (thylakodes) qui dfinissent deux phases sans
communication immdiate: lespace stromatique et lespace
intrathylakodal (ou lumen).
la polarit stroma-lumen ainsi dfinie correspond une organisation
transversale
(normale au plan membranaire) des complexes et composants
membranaires, qui est de
la plus haute importance pour lnergtique de la conversion .
Dautre part, les lamelles peuvent saccoler par endroits pour
former des empilements de disques (granums, visibles en microscopie
photonique) qui restent en relation de
continuit avec des lamelles non accoles disperses dans le stroma
.
On pense que cette disposition frquente mais non gnrale
reprsente une adaptation pour une rpartition optimale de lnergie
lumineuse dans lappareil.
Il est relativement ais de sparer, aprs broyage du tissu
foliaire, des fragments de
chloroplastes capables la lumire de dgager de loxygne et de
rduire certains accepteurs dlectrons (par exemple le ferricyanure
et de nombreux colorants).
Cette raction de Hill, du nom du biochimiste anglais qui la
dcouverte, permet de dmontrer que cest au sein des structures
thylakodales que seffectue lintgralit de la conversion au sens
nergtique.
En effet, ces fragments de membranes isols sont capables de
rduire le NADP
(nicotinamide dinuclotide-phosphate) et de phosphoryler lADP
(adnosine-diphosphate), partir de quoi lintgration du carbone en
glucides peut seffectuer de faon enzymatique spontane.
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On sait aller beaucoup plus loin dans la fragmentation de
lappareil en blocs lmentaires fonctionnels, notamment grce une
attaque mnage des membranes par
des dtersifs.
Les centres ractionnels bactriens o seffectue lacte
photochimique de la conversion donnent un bon exemple de cette
dmarche.
On a pu dterminer la composition minimale dun complexe,
ncessaire sa fonction: 3 sous-units polypeptidiques, 4 molcules de
bactriochlorophylle, 2 molcules de
bactriophophytine (macrocycle de chlorophylle priv de Mg), 1
molcule de
carotnode, 2 molcules dubiquinone et 1 atome de fer.
Dautres blocs fonctionnels sont, de nos jours encore, difficiles
extraire et purifier (stchiomtrie variable) ou perdent une partie
de leur activit au cours de lisolement.
Mais le dmontage de la micromachine photosynthtique dcouvre une
remarquable
unit darchitecture molculaire preuve vidente dune parent
phylognique et nous apprend que la structure de ces complexes,
cest--dire la disposition gomtrique de ses parties, tout autant que
leur nature biochimique, dtermine spcifiquement leurs
fonctions.
La structure granaire dominante chez les vgtaux suprieurs a
longtemps pos un problme dinterprtation.
quoi sert-elle?
De nombreuses recherches ont t consacres ce problme.
On sest aperu finalement que cette structure ntait pas statique,
mais relativement mobile: sous linfluence de multiples facteurs
(par exemple les ions Mg++ dans le stroma), les lamelles peuvent
saccoler ou se sparer rversiblement; paralllement, on assiste une
migration des complexes membranaires qui peuvent se rassembler ou
se
disperser.
Un des rsultats inattendus de ces recherches en un sens
contredit le schma en Z,
pourtant si solidement tabli .
Celui-ci, en effet, suggre naturellement quil doit exister dans
la membrane une entit morphologique correspondant la chane
photosynthtique et constitue des deux
principaux complexes: systme II + systme I.
Or, si cette chane est bien une ralit sur le plan fonctionnel,
son existence
morphologique est extrmement fluctuante.
Ainsi, on a dmontr, en les isolant, que les disques granaires ne
comportent que des
complexes systme II et que tous les complexes systme I (plus une
minorit de systme
II) se rassemblent dans les lamelles disperses dans le
stroma.
Il faut videmment que des transporteurs mobiles cest le cas des
plastoquinones puissent tablir une communication entre ces deux
sortes ddifices lamellaires.
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Cette singulire complication doit jouer un rle, pense-t-on, dans
ladaptation de lappareil photosynthtique au rgime lumineux.
3. Les mcanismes primaires
Lunit photosynthtique: antenne et centre
On doit deux chercheurs amricains (R. Emerson et W. Arnold) la
notion dunit photosynthtique qui a jou un rle fondamental dans la
manire dont se comprend la
relation structure-fonction dans lappareil photosynthtique.
Leurs travaux dans les annes 1930-1940 ont rvl que, sous leffet
dclairs brefs et saturants (quelques microsecondes, quelques 10_2
joule/cm2), lacte photochimique lmentaire nimpliquait pas moins de
600 molcules de chlorophylle.
Par ailleurs, on savait quau contraire, en faible lumire,
labsorption de tout photon se traduit par un acte photochimique
lmentaire, avec un rendement quantique proche de
lunit.
Le concept dunit photosynthtique devait rsoudre ce paradoxe. La
chlorophylle remplit deux rles essentiels: comme convertisseur
photochimique dans les centres et
comme collecteur de lumire dans les antennes.
En fait, chaque chlorophylle centre sont associes quelques
centaines de molcules de
chlorophylle antenne, en sorte que tout photon absorb par lune
dentre elles est transmis presque sans perte par transfert de
rsonance au centre o seffectue la conversion.
Cette disposition est compatible avec un excellent rendement en
faible lumire.
En revanche, au cours dun clair bref et saturant, chaque centre
est activ, mais ne peut fonctionner quune fois, car le temps total
de conversion ncessaire pour quun centre, aprs avoir t excit, soit
de nouveau capable dtre activ est beaucoup plus long (environ 10_4
s) que la dure dun clair. Tout se passe donc comme si une petite
fraction seulement de la chlorophylle (1/600) tait active dans ces
conditions.
Linverse de ce rapport dfinit prcisment la taille de lunit
photosynthtique.
Par analogie avec la photochimie non biologique, on pouvait
sattendre ce que lacte de conversion implique un phnomne
doxydorduction.
Un ensemble de rsultats exprimentaux, pour lesquels la
spectroscopie par clairs a
jou un grand rle, a impos la notion que la conversion
photochimique consiste en une
sparation de charges entre un donneur primaire P et un accepteur
primaire A selon les
deux tapes:
P est la chlorophylle centre; cest un dimre de chlorophylle (ou
de bactriochlorophylle); Pz est son tat excit (singulet).
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P fonctionne donc la fois comme pige pour lexcitation lumineuse
et comme donneur dlectron.
A est une phophytine (ou une chlorophylle). Ce schma est gnral
et se vrifie chez
tous les organismes photosynthtiques.
La conversion photochimique consiste donc transformer lnergie
dun photon en la diffrence de potentiel doxydorduction existant
entre les couples P+/P et A/A_.
Le rendement nergtique de cette opration est excellent (de
lordre de 60 p. 100).
Quant son rendement quantique (paire de charges spares/photon
absorb), il est trs
proche de lunit.
Les facteurs de cette remarquable performance ne sont pas
dfinitivement lucids.
Du moins, deux proprits de lensemble centre-antenne
permettent-elles de la comprendre. Dune part, la vitesse des deux
tapes ci-dessus est notablement plus grande (1011 s_1) que celle de
la dsactivation spontane de lexcitation dans lantenne (de 107 108
s_1) .
Dautre part, la recombinaison des charges, qui dissiperait
lnergie emmagasine dans ltat P+A_ (en redonnant ltat PA) na quune
infime probabilit de se produire.
Mais, pour parfaite quelle soit, la conversion photochimique ne
va pas sans pertes qui, mme trs faibles, constituent de prcieux
indicateurs sur ltat et le fonctionnement des centres et des
antennes.
Ces pertes se manifestent en effet par une fluorescence et une
luminescence de la
chlorophylle, dont les proprits spectroscopiques et surtout
cintiques ont puissamment
contribu tablir la validit du schma de conversion.
Les deux systmes photochimiques et le schma en Z
Le bilan de la photosynthse chez les plantes suprieures,
cest--dire simultanment loxydation dune molcule deau et la rduction
dune molcule de dioxyde de carbone, implique la mobilisation de 4
lectrons (et de 4 protons, soit de 4 atomes dhydrogne).
Lexigence quantique de la photosynthse (8 hn / O2 ou CO2)
indique donc que 2 photons sont ncessaires pour transfrer 1
lectron.
La signification de ce facteur 2 ne fut bien comprise qu partir
des annes 1957-1960 lorsque R. Emerson, tudiant le spectre daction
de la photosynthse, montra que les radiations absorbes vers 690 nm
et au-del sont peu efficaces, moins quelles ne soient supplmentes
par des radiations de plus courtes longueurs donde.
On ne tarda pas comprendre que chez les vgtaux suprieurs la
photosynthse est un
processus biphotonique mettant en jeu deux sortes densembles
antennes-centre dont les spectres dabsorption sont lgrement dcals
(en particulier dans le rouge lointain).
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Lexplication du facteur 2 tait donc que 2 photoractions devaient
oprer en srie pour porter chaque lectron du potentiel de O2/H2O
jusquau potentiel de CO2/(CHOH).
Ce schma en srie, plus connu sous le nom de schma en Z , sest
trouv confort par un corps trs important de rsultats,
particulirement dordre cintique.
Mais la preuve sans doute la plus loquente de sa validit est
donne par la possibilit
disoler aprs fragmentation de la membrane deux sortes de
subparticules possdant sparment chacune des activits photochimiques
postules.
Chaque photoraction, ainsi que les transporteurs directement
associs, a reu le nom de
photosystme.
Convenant dorienter les flches dans le sens du transfert des
lectrons, on voit que le photosystme II extrait les lectrons de
leau ( + 0,8 volt) et les porte un potentiel rducteur assez bas (_
0,2 volt), mais encore insuffisant pour la rduction du CO2.
Llectron, dabord capt par une phophytine, se trouve stabilis sur
une plastoquinone spciale, Q, puis transmis par lintermdiaire dune
seconde plastoquinone, B (mobile), au pool principal des
plastoquinones, PQ.
La communication des lectrons au photosystme I passe par un
complexe
cytochromes (b6 et f ) contenant galement une protine fer et
soufre (centre de
Rieske) et par un transporteur mobile, la plastocyanine (PC, une
protine Cu).
Le dplacement des potentiels o opre le systme I dans le sens
rducteur rsout la
difficult nergtique voque ci-dessus: llectron se trouve port,
lissue du deuxime acte photochimique, un potentiel suffisamment
rducteur (_ 1,0 volt) pour rduire
facilement le NADP. Comme pour le photosystme II, plusieurs
accepteurs associs au
centre: A1, A2, etc., de la famille des ferrdoxines (Fd),
stabilisent llectron avant son transfert au NADP via une enzyme, la
Fd-NADP oxydorductase.
Des protons sont galement mis en jeu paralllement au transfert
des lectrons: ils sont
librs aux tapes doxydation de H2O et de PQH2 et inversement,
fixs celles de rduction de PQ et NADP.
Le schma montre enfin quun transfert cyclique dlectrons peut
avoir lieu, dans certaines circonstances, autour du systme I. Le
schma en Z est commun tous les
organismes photosynthtiques oxygniques.
Par contre, les bactries photosynthtiques, incapables doxyder
leau, sadressent des donneurs dhydrogne plus faciles oxyder
(composs du soufre, substrats organiques) et leur appareil ne
comporte quun seul photosystme.
Une rgion qui est encore mal connue du systme II concerne
loxydation de leau.
On sait seulement quelle se produit de faon squentielle et
cyclique en accumulant 4 quivalents oxydants capables de dcomposer
2 molcules deau tout en librant 1 molcule doxygne.
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Cest ce quont lgamment dmontr les expriences du Franais P.
Joliot et de lAmricain B. Kok .
La thorie de Mitchell
Le schma en Z exprime de manire compacte la connexion
mcanistique des
transporteurs de la chane photosynthtique les uns aux
autres.
Il est remarquable quil reflte assez fidlement lorganisation
macromolculaire de la membrane du thylakode, principalement dans le
sens transversal .
Cest ainsi que laxe de la sparation de charges dans les deux
photosystmes est normal au plan membranaire; son sens est tel
quelle tend projeter llectron lextrieur du thylakode.
Deux consquences en rsultent. En premier lieu, la sparation des
charges dans les
deux photosystmes cre un champ lectrique transmembranaire. Comme
la montr lAllemand H. T. Witt, ce champ est assez fort (105 volt /
cm) pour influencer par lectrochromisme les pigments
photosynthtiques, qui subissent des variations
spectrales (par exemple 515 nm) faibles, mais bien
dtectables.
Notons que, linstar dun condensateur, une certaine nergie se
trouve ainsi momentanment stocke dans le dilectrique de la
membrane. En second lieu, cette
nergie est utilise pour acclrer la fixation de protons sur la
face externe du thylakode
et leur libration dans sa phase interne (lumen).
Comme la membrane est trs peu permable aux ions et quelle
dlimite un volume ferm, elle maintient donc entre ses deux faces un
gradient de pH. Lnergie lectrostatique est ainsi transforme en une
nouvelle forme de stockage: lnergie chimiosmotique du gradient de
pH.
Cest en rflchissant la signification de la compartimentation
chez les mitochondries et les chloroplastes, qui permet une
accumulation dnergie sous forme chimiosmotique, que lAnglais P.
Mitchell (prix Nobel 1978) a pu proposer la thorie chimiosmotique
[cf. BIONERGTIQUE].
Celle-ci fournit notamment une explication cohrente de la
photophosphorylation chez
les chloroplastes.
La membrane du thylakode porte en effet dans son paisseur et sur
sa face externe un
complexe enzymatique, lATP-synthtase (CF0 et CF1 sur la ),
capable de canaliser les protons en excs dans la phase interne et
dutiliser lnergie du gradient de pH pour synthtiser des molcules
dATP.
En dfinitive, celui-ci, relch, ainsi que le NADPH2 dans la phase
stromatique y seront
les vecteurs dnergie et dlectrons + protons suffisants pour
lintgration du carbone catalyse par les enzymes du cycle de Calvin
(cf. chap. 4).
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4. Les ractions sombres: la rduction du
dioxyde de carbone
Les ractions sombres de la photosynthse, (ou ractions
thermiques, en raison de leur
sensibilit la temprature) sont maintenant bien connues grce la
conjonction de
mthodes et de techniques dveloppes pendant et aprs la Seconde
Guerre mondiale:
utilisation disotopes traceurs, en particulier du radiocarbone
14 dcouvert en 1940, et analyse chimique par chromatographie.
Aprs avoir offert du 14CO2 une plante, il devient possible de
suivre les diffrentes
tapes de sa fixation dans les molcules organiques et de sa
rduction. Les molcules
nouvelles, grce leur composition isotopique, se distinguent des
molcules de mme
nature chimique qui prexistaient dans les tissus, avant
loffre.
Aujourdhui, la sparation des diffrents mtabolites est
relativement simple, car la mesure de la radioactivit acquise aprs
lintgration du 14C est rapide et trs sensible. La figure illustre
les rsultats obtenus.
Comme le 14C ne perd la moiti de sa radioactivit quen 5 000 ans
environ, on peut le considrer comme un outil stable notre
chelle.
On doit lquipe de chercheurs de luniversit de Berkeley dirige
par M. Calvin (prix Nobel de chimie, 1961) le dveloppement des
recherches sur ce sujet, depuis 1946. Chez
les vgtaux dits C3 (cf. chap. 5), le premier compos form, lacide
phosphoglycrique, comporte 3 atomes de carbone
. Il contient la quasi-totalit du radiocarbone du gaz carbonique
fix aprs quelques
secondes, en prsence de lumire.
Il est form par la fixation du dioxyde de carbone sur un glucide
5 atomes de carbone,
le ribulosediphosphate.
Cette fixation (5 C + 1 C) engendre 2 molcules dacide
phosphoglycrique (3 C Z 2). Ensuite apparat un glucide, galement
tricarbon: laldhyde phosphoglycrique, produit de la rduction du
corps prcdent. Cette rduction est ltape nergtique la plus
importante des ractions sombres; elle utilise les deux
transporteurs NADPH2 et
ATP, rechargs lors des ractions photochimiques.
Ensuite, lunion de deux molcules de trioses forme un sucre 6
atomes de carbone, le fructose-bisphosphate, puis monophosphate,
pour lequel deux voies sont possibles:
dune part, la rgnration du ribulose-disphosphate, par des
transformations entre glucides phosphoryls, permettant la poursuite
de la fixation du dioxyde de carbone, et,
dautre part, lengagement vers la formation daccumulats
glucidiques .
La rgnration du ribulose-diphosphate forme un cycle ractionnel
auto-entretenu, ou
cycle de Calvin, qui est parcouru en quelques secondes. Lexcdent
de carbone, d la fixation du dioxyde de carbone, est lorigine de la
synthse de lamidon qui se dpose frquemment dans les
chloroplastes.
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Une fraction des trioses-phosphates migre hors des chloroplastes
et est lorigine du saccharose, form dans le cytosol. (Lenveloppe
des chloroplastes est trs permable aux trioses-phosphates et au
phosphate minral.)
Toutes ces ractions sont catalyses par des enzymes, et il est
possible de les raliser in
vitro, condition que les fournisseurs dlectrons et dnergie
soient prsents.
Il est remarquable de constater quelles mettent en jeu des
composs phosphoryls qui appartiennent au mtabolisme intermdiaire le
plus courant. Les tapes allant de lacide phosphoglycrique aux
sucres parcourent exactement, en sens inverse, celles de la
glycolyse fermentaire ou respiratoire, et la rgnration du
ribulose-diphosphate
emprunte la voie inverse de la chane respiratoire des
pentoses-phosphates.
Cest le pouvoir rducteur des chloroplastes, aliment par la
recharge photochimique de NADPH2 et de lATP, qui gouverne cette
inversion.
Loriginalit de ce cycle ractionnel rside dans le mode de
fixation et de rduction du dioxyde de carbone, propre aux vgtaux
chlorophylliens et de nombreuses bactries
autotrophes pour le carbone, et dans son couplage nergtique avec
les ractions
photochimiques.
Le cycle de Calvin comporte galement quelques voies latrales qui
aboutissent la
synthse dacides-amins et de prcurseurs des lipides . Ainsi,
lacide phosphoglycrique est lorigine de lacide pyruvique qui, par
amination (fixation du groupe N H2), est transform en a-alanine,
acide amin 3 atomes de carbone.
La carboxylation de lacide pyruvique donne naissance lacide
oxaloactique. Ce dernier peut tre rduit, avec formation dacide
malique, ou amin, avec synthse dacide aspartique. Ces trois
derniers composs sont 4 atomes de carbone et appartiennent la mme
famille mtabolique. Lacide pyruvique, par dcarboxylation (perte de
gaz carbonique), engendre le radical actyle, origine des acides
gras des lipides
[cf. MTABOLISME].
Tout le droulement du cycle de Calvin se situe dans les
chloroplastes. lexception des trioses-phosphates, les glucides
phosphoryls ne traversent que trs lentement les
membranes qui limitent ces organites; la voie synthtique des
ractions se trouve ainsi
compartimente.
En revanche, trioses-phosphates et acides organiques circulent
trs aisment entre les
chloroplastes et le cytosol.
Aprs migration dans le cytosol et les autres organites
cellulaires, lexcdent des composs, par rapport aux ncessits du
droulement du cycle, alimente les synthses de
protines, de lipides, etc. et la respiration.
5. Les types mtaboliques de photosynthse,
daprs le mode de fixation initial de CO2
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Les ractions enzymatiques dcrites ci-dessus sont sensiblement
les seules voies dentre du CO2 dans le mtabolisme photosynthtique,
pour la majorit des plantes
primitivement tudies. 90 p. 100 du carbone au moins empruntent
directement la voie
du phosphoglycrate, compos 3 atomes de C, do le qualificatif de
type C3 donn ces vgtaux qui comprennent presque toutes les plantes
originaires des rgions
tempres, toutes les Fougres, Mousses, Algues et enfin tous les
arbres quel que soit
leur habitat climatique.
Mais, parmi les plantes herbaces et quelques arbustes des rgions
tropicales, semi-
tropicales, ou encore des sols sals des rgions tempres, on
trouve, dans prs de vingt
familles appartenant toutes aux Phanrogames Angiospermes, un
procd diffrent de
fixation initial de CO2.
Celui-ci a t reconnu entre 1963 et 1966. Dans le cytosol des
cellules sous-pidermiques
de leurs feuilles (msophylle) la raction suivante intervient
pour la quasi-totalit du
CO2 fix.
Elle est catalyse par une phosphonolpyruvate carboxylase:
do lexpression de plantes de type C4 qui leur a t attribue.
LOAA, corps instable, y est immdiatement rduit en malate (MAL) ou
amin en aspartate (ASP). Ces
deux derniers composs fournissent, aprs migration dans des
cellules plus internes, le
CO2 la raction caractristique du type C3:
Cette dernire a lieu dans les chloroplastes exclusivement.
Ces cellules, plus internes que celles du msophylle, entourent
les vaisseaux conducteurs
de sve et constituent la gaine privasculaire.
Lensemble forme une structure dite en couronne. Puis les
oprations de rduction du PGA et de transformation des glucides,
avec rgnration du ribulose-diphosphate,
formation damidon et de saccharose, se poursuivent comme dans
les plantes de type C3. La figure schmatise les 2 cycles raliss,
lun dans les cellules du msophylle, lautre dans celles de la gaine
privasculaire.
Ainsi lensemble du mtabolisme photosynthtique du carbone se
trouve rparti entre deux tissus dont les cellules ont une
compartimentation enzymatique nettement
diversifie.
De plus, le type C4 prsente plusieurs variantes.
Pour le mas, la canne sucre, le malate est le transporteur
essentiel de CO2 et, dans les
chloroplastes des cellules des gaines, une enzyme malique
catalyse la raction:
Le malate fournit le CO2 et enrichit galement le pouvoir
rducteur des chloroplastes
des gaines en rduisant le NADP en NADPH2.
Pour dautres espces de type C4: Panicum maximum, Chloris guyana,
laspartate, aprs amination de loxaloactate dans le cytoplasme des
cellules du msophylle, migre dans les gaines, y rgnre lOAA qui
enfin fournit le CO2 aux chloroplastes de ces
-
dernires, aprs une dcarboxylation par une PEP-carboxykinase
selon une raction du
type:
Le phosphonolpyruvate, ltat de pyruvate, est ensuite amin,
donnant naissance la-alanine qui retourne dans le msophylle,
assurant la fourniture la fois dun chanon tricarbon et dune
fonction amine ncessaire la poursuite du cycle.
Pour les espces telles que Amaranthus edulis, Panicum miliaceum,
o laspartate est galement la principale forme de transport de CO2
du msophylle aux cellules des
gaines, cet acide amin est reconverti en malate dans les
mitochondries des cellules des
gaines et une enzyme malique assure la libration du CO2 selon la
raction:
Aprs amination du pyruvate, avec formation da-alanine, le retour
de cet acide amin tricarbon permet la reprise du cycle dans les
cellules du msophylle.
Si, dans ces trois modalits, le cycle rducteur du CO2 en
glucides se situe toujours dans
les chloroplastes des cellules des gaines privasculaires et par
le mme processus
incluant la carboxylation du ribulose-diphosphate avec formation
de PGA et rduction
de ce dernier en trioses-phosphates, le mode dapport de CO2
lintrieur des tissus prsente des modalits diffrentes.
Le mtabolisme photosynthtique du carbone est clat, partag entre
des lieux
cellulaires ou des organites divers: cytosol, chloroplastes,
voire mitochondries, avec une
spcialisation des cellules sous-pidermiques externes du
msophylle dans la fixation
initiale du CO2 et une spcialisation des chloroplastes des
cellules plus interne des gaines
dans sa rduction au niveau glucidique.
Il en rsulte une compartimentation du mtabolisme diffrente de
celle des plantes de
type C3.
Dautres complications interviennent dailleurs, les chloroplastes
des cellules du msophylle pouvant participer la rduction dune
fraction du phosphoglycrate venant des plastes des gaines, mais
seuls les chloroplastes de ces dernires possdent la ribulose-
diphosphate-carboxylase.
Cet clatement avec une compartimentation complexe implique
diverses migrations de
mtabolites intermdiaires, facilites par des communications
directes (plasmodesmes
entre les cytosols des diffrentes cellules en continuit, quelles
appartiennent au msophylle ou aux gaines).
Cette compartimentation implique aussi une dpense nergtique
supplmentaire
correspondant la multiplicit des transports et aux ractions plus
nombreuses quand
on compare le mtabolisme C4 au mtabolisme C3.
Mais cette dpense supplmentaire est couverte par ladaptation des
plantes C4 au fort ensoleillement de leurs rgions dlection.
Par ailleurs, ainsi quon lexposera plus loin, propos de la
photorespiration, le pouvoir de fixation de CO2 de la
PEP-carboxylase est beaucoup plus lev que celui de la
-
ribulose-diphosphate-carboxylase et leur assure une beaucoup
plus grande activit
mtabolique de photosynthse quand le flux lumineux nest pas
limitant.
Les plantes de type C4 sont capables dabsorber la totalit du CO2
prsent dans une enceinte close, ce que ne peuvent raliser les
plantes de type C3 dont la photosynthse
sannule lorsque la pression partielle de CO2 dans latmosphre
sabaisse au-dessous de 40 50 microlitres par litre dair (point de
compensation de CO2).
De ce fait, en atmosphre normale, les plantes de type C4
absorbent presque aussi
rapidement le CO2 dont le carbone est lisotope 13C que le CO2
carbone 12C (le 13CO2 reprsente environ 1,1 p. 100 du CO2 total de
lair), alors que les plantes de type C3 prsentent lgard du 13CO2 un
retard lassimilation de 20 p. 1 000 par rapport au 12CO2
(fractionnement isotopique), contre 4 p. 1000 pour les plantes
C4.
Elles peuvent utiliser des clairements beaucoup plus levs que
les plantes de type C3.
Leur saturation lumineuse nest pas toujours atteinte dans les
jours les plus riches en lumire (500 W par m2), alors que les
plantes de type C3 sont satures de lumire entre
50 et 150 watts par mtre carr. Leur optimum thermique de
photosynthse est
galement plus lev (de 30 47 0C contre 15 25 0C pour les plantes
C3).
La structure en couronne des tissus foliaires des plantes de
type C4 est favorable la
migration des produits de photosynthse, en raison de la proximit
des cellules des
gaines o se ralise la synthse des glucides (amidon et
saccharose) et des vaisseaux
conducteurs de la sve qui distribuent les mtabolites aux divers
organes de la plante et
peuvent ainsi leur assurer une croissance plus rapide, dans les
conditions climatiques
qui leur sont favorables.
Un autre avantage leur est aussi confr dans leurs rgions
dorigine par leur conomie hydrique, leur transpiration tant, en
prsence dun ensoleillement fort, plus faible que celui des plantes
C3 et leur rapport carbone assimil/eau transitant dans les tissus
plus
lev.
Elles se trouvent sur la voie dune adaptation aux climats arides
dont le terme est donn par les plantes grasses au mtabolisme acide
crassulacen (CAM) qui constitue un
troisime type adapt aux conditions des dserts aux tempratures
diurnes leves.
Au moins vingt-six familles de Phanrogames et quelques Fougres
possdent des
espces de type CAM.
En 1804, N. T. de Saussure avait dcrit que les raquettes de
figuier-de-Barbarie
(Opuntia ficus indica) fixaient le CO2 la nuit, quand les
orifices de leurs stomates sont
ouverts.
Le jour, ils sont ferms et la transpiration de la plante est
ainsi supprime pendant la
priode de chaleur sche de leur climat dorigine.
La fixation aboutit alors, comme dans les plantes de type C4, la
formation de malate
qui saccumule durant la nuit, dans les vacuoles des cellules. Le
jour suivant, la lumire, le malate fournit le CO2 ncessaire la
synthse des glucides qui a lieu dans les
chloroplastes.
-
Il y a disjonction dans le temps entre la fixation initiale de
CO2 et sa rduction.
Il existe des espces vgtales dont les caractres sont
intermdiaires entre les types
mtaboliques prcdemment dcrits, mais elles sont apparemment moins
frquentes que
les types tranchs.
Sans doute tmoignent-elles des modalits dvolution avortes ou en
cours. Le type C3 est le plus primitif des trois, daprs les
fossiles connus et les caractristiques de la composition isotopique
en carbone 13 et en carbone 12 des charbons.
Il faut noter aussi que dans la mme famille botanique
(Caryophyllaceae,
Chenopodiaceae, Euphorbiaceae...) se trouvent des reprsentants
des trois types
mtaboliques.
Enfin, des essais dhybridation ont t tents entre espces voisines
C3 et C4 appartenant au mme genre (Atriplex).
Les croisements donnent des descendances viables, mais les
nombreux caractres
distinctifs, anatomiques, cytologiques, enzymatiques, dpendent
de gnes diffrents.
Ils se disjoignent avec une forte indpendance, une grande
irrgularit dans la
distribution chromosomique, qui, jusqu prsent, na pu tre matrise
en vue de conduire une amlioration comparable celle des plantes de
grande culture telles que
les bls ou les mas.
6. Photosynthse nette et photosynthse
brute; la photorespiration
la lumire, les vgtaux chlorophylliens continuent respirer,
cest--dire absorber de loxygne et mettre du CO2.
Cette respiration possde plusieurs composantes.
Les unes, tout fait semblables celles que lon constate
lobscurit, sont gnralement dprimes la lumire, lnergtique lumineuse
se substituant lnergtique chimique fournie par les oxydations
mitochondriales.
De plus stablit la lumire un type de respiration particulier,
appel photorespiration (Pr).
Il en dcoule, sur le plan quantitatif, le fait suivant: lmission
photosynthtique dO2 ainsi que labsorption de CO2 observes la lumire
expriment la photosynthse nette (Pn) qui est plus faible que la
photosynthse totale ou photosynthse brute (Pb), selon
lquation: Pn = Pb _ Pr.
En fait, Pr reprsente lensemble de la respiration la lumire
comprenant essentiellement la photorespiration stricto sensu, si
lon nglige le faible reliquat des
-
mcanismes respiratoires normalement manifests lobscurit et qui
se trouvent dprims la lumire.
Limportance de la photorespiration varie selon les types
mtaboliques dcrits dans le paragraphe prcdent. Pour les feuilles
dune plante de type C3, dont la photosynthse nette peut atteindre
30 milligrammes de CO2 fix par dcimtre carr et par heure, dans
lair ordinaire, la photorespiration peut avoir une valeur
presque gale (soit 40 50 p. 100 de la photosynthse brute) et se
prsenter comme une perte trs importante du
pouvoir photosynthtique total.
Elle est en moyenne cinq fois plus intense que la respiration
ralise lobscurit par les mmes organes.
En raison des changes des mmes gaz, quoique inverss, la mesure
de la
photorespiration est dlicate.
La mthode la plus sre est celle qui consiste placer les vgtaux
en prsence dune atmosphre enrichie en oxygne de masse atomique 18
(non radioactif), distinct de
loxygne courant de masse 16.
Alors que par photosynthse les vgtaux librent 16O aprs
photoxydation de leau H216O, la mesure de labsorption de 18O par
spectromtrie de masse permet dvaluer lintensit de la
photorespiration.
Si la dure de lexprience dappauvrissement de latmosphre en 18O
nest pas trop longue, afin dviter les changes mtaboliques doxygne,
lapproche est quantitativement la plus fidle.
Dautres mthodes sont bases sur les changes de CO2: mission de ce
gaz dans une atmosphre sans CO2 qui balaie les feuilles et entrane
le CO2 libr par
photorespiration, extrapolation la concentration nulle des
courbes dintensit de la photosynthse en prsence de concentrations
en CO2 dcroissantes, mission brusque de
CO2 aprs interruption de la lumire, traduisant dune manire
transitoire lintensit de la photorespiration plus lente sannuler
que la photosynthse.
Rciproquement lestimation de la photosynthse brute peut tre
obtenue par la mesure de labsorption de 14CO2 pendant des temps trs
courts, prcdant la mise en route du mtabolisme
photorespiratoire.
Les mesures par la voie des changes de CO2 donnent gnralement
des valeurs
infrieures celles obtenues avec lisotope 18O de loxygne
Le mcanisme de la photorespiration est complexe. Dune part, des
transporteurs intermdiaires dlectrons peuvent tre directement oxyds
par loxygne au niveau des membranes chloroplastiques, au voisinage
du photosystme I.
Dautre part, et cest la voie la plus importante
quantitativement, lenzyme de fixation de CO2, la
ribulose-diphosphate-carboxylase, peut galement fixer loxygne la
place
-
du CO2 et jouer le rle dune oxygnase
(ribulose-diphosphate-carboxylase/oxygnase est son nom
complet).
On pense que le mme site enzymatique entre en jeu et quune
comptition sy manifeste entre les 2 petites molcules, CO2 et O2, ce
qui se traduit par une acclration de la
photorespiration en prsence datmosphres enrichies en O2 ou
appauvries en CO2 et, inversement, en sa quasi-disparition en
prsence datmosphres pauvres en O2 ou riches en CO2.
La figure rsume les ractions mises en jeu par la fixation dO2
sur le ribulose-diphosphate (RuBP) lorsque lenzyme fonctionne comme
oxygnase. Dans les chloroplastes, la fixation doxygne engendre non
plus 2 molcules de phosphoglycrate comme lors de la fixation de
CO2, mais une seule molcule de phosphoglycrate et une
molcule de phosphoglycolate, compos dont les 2 atomes de C
proviennent du ribulose.
Le phosphoglycolate, aprs dphosphorylation, fournit du glycolate
qui migre dans un
autre organite cellulaire, un peroxysome.
Il sy trouve oxyd en glyoxylate avec formation deau oxygne.
Lenzyme, la glycolate oxydase, est strictement localise dans les
peroxysomes.
Ces derniers renferment aussi une catalase qui dcompose leau
oxygne toxique.
Une transaminase, prsente galement, catalyse la transformation
du glyoxylate en
glycine ou glycocolle aux dpens de glutamate fournisseur de
fonction amine.
Ensuite la transformation de glycine en srine a lieu dans les
mitochondries, avec
libration de CO2, dammonium et rduction de nicotinamide adnine
nuclotide, source dune rcupration partielle dnergie.
La srine, aprs retour dans les peroxysomes, fournit du glycrate.
Ce dernier aprs
migration dans les chloroplastes et phosphorylation pourra, sous
forme de
phosphoglycrate, rentrer dans le cycle photosynthtique rductif
du carbone.
Toutes ces migrations de mtabolites, dorganites en organites
diffrents, sont imposes par les strictes localisations des enzymes,
do rsulte une compartimentation et un trajet mtabolique compliqus
de composs carbons et azots.
Lensemble se solde par la perte dune molcule de CO2 et
labsorption de 3 molcules dO2 pour 2 molcules de
ribulose-diphosphate oxyd. Cette photorespiration nest connue en
fait que depuis les annes 1960-1970.
Elle reprsente une perte trs variable du pouvoir photosynthtique
selon les types
vgtaux.
Trs importante chez diverses plantes de type C3: bl, tabac,
tournesol, soja, elle est
beaucoup plus faible chez dautres vgtaux, appartenant cependant
au mme type mtabolique.
Il en est ainsi chez diverses algues deau douce ou marines qui
excrtent du glycolate.
-
Les plantes de type C4 ont aussi une photorespiration dont
tmoigne leur sensibilit aux
pressions partielles leves doxygne et la prsence de peroxysomes
dans leurs tissus, mais elle est efface par la forte affinit de la
phosphonolpyruvate carboxylase qui
retient le CO2 libr dans les tissus foliaires.
Par suite, elle ne peut tre dcele que par labsorption de
18O.
La signification de la photorespiration reste nigmatique:
consquence initiale de la
double activit de la protine la plus abondante du monde, la
ribulose-diphosphate-
carboxylase/oxygnase, prix pay sa structure molculaire,
limination dun excs de pouvoir rducteur fourni par les photosystmes
membranaires aux enzymes du stroma
chloroplastique, fourniture dacides amins, sont des faits quune
vision de finalit absolue tend ngliger.
Les essais de sa suppression par divers inhibiteurs denzymes
tels que la glycolate oxydase nont pas jusqu prsent russi amliorer
la production vgtale par une intensification de la photosynthse.
Son effacement, dans les plantes de types C4, est d,
non la suppression de son mcanisme, mais la mise en jeu dune
procdure plus efficace de fixation de CO2 que celle qui est ralise
dans les plantes de type C3.
7. nergtique et importance de la
photosynthse dans la biosphre
Le bilan de la photosynthse nette laisse un excdent de
substances organiques trs
important, puisque les pertes totales dues la respiration de
tous les organes vgtaux
ne dpassent pas 40 50 p. 100 du gain positif de synthse
nette.
Dune manire gnrale, la vitesse ou intensit de la photosynthse
crot avec lintensit de lclairement, jusqu une valeur limite, au-del
de laquelle la saturation lumineuse est atteinte, comme il est
indiqu propos des diffrents types mtaboliques de
photosynthse.
Pour les plantes de type C3, qui reprsentent les plus grandes
masses de vgtation, cette
saturation est nettement infrieure lintensit maximale de la
lumire qui arrive au sol (500 W/m2 environ).
En revanche pour ces plantes, la tension partielle de CO2 dans
latmosphre (330 ml/l dair) est un facteur limitant, ce qui explique
le succs de la fertilisation des cultures sous abri, par apport de
dioxyde de carbone dans lair.
Le doublement de la concentration partielle de CO2 multiplie par
2 en moyenne
lintensit de la photosynthse des plantes de type C3, alors
quelle est sans effet sur les plantes de type C4.
Enfin, comme dans tout mcanisme li lactivit denzymes, la vitesse
de la photo synthse est sensible la temprature, elle augmente jusqu
un optimum variable selon les espces et en particulier selon le
type mtabolique (voir chap. 5), puis dcrot ensuite
rapidement par suite dune dsorganisation de lappareil
photosynthtique. Notons
-
cependant que quelques organismes thermophiles, appartenant aux
Photobactries ou
aux Cyanobactries (nagure nommes Cyanophyces ou algues bleues)
supportent
des tempratures voisines de 60-70 0C.
La sensibilit de la photosynthse la fois lintensit de
lclairement et la temprature souligne bien lexistence des 2 types
de ractions: photochimiques dune part, sombres (ou thermiques)
dautre part.
Lorsque deux des trois facteurs externes (lumire, temprature,
concentration partielle
de CO2) sont optimaux, lintensit de la photosynthse dpend de la
valeur du troisime, selon la loi trs gnrale dite loi du minimum
[cf. NUTRITION].
Lorsque les trois facteurs sont loptimum, lintensit atteint un
plafond absolu qui dpend de lquipement pigmentaire et enzymatique
dun vgtal, donc de facteurs propres lorganisme.
De fait, la vitesse optimale nest jamais atteinte dans les
conditions naturelles, et il en est de mme du rendement nergtique
dfini par le rapport entre le CO2 assimil, ou
loxygne mis, et lnergie lumineuse absorbe.
Dans les meilleures conditions exprimentales de laboratoire,
lexigence quantique de la photosynthse peut tre de 8 10 quanta par
molcule de CO2 fix, soit gale ou trs
voisine du minimum thorique de photons, tel que lon peut le
dduire daprs les donnes du chapitre 3 et de la figure .
Il faut souligner dailleurs que cette exigence photonique
minimale, correspondant un rendement nergtique maximum denviron 30
p. 100, nest obtenue quen prsence dclairements trs faibles.
En prsence des clairements naturels, le rendement nergtique
maximal de la
photosynthse nette ne dpasse pas 10 15 p. 100, correspondant une
exigence
quantique de 20 30 photons. Si lon tient compte du rythme
nycthmral dclairement, le rendement nergtique rapport un cycle
naturel de 24 heures ne dpasse pas 7 10 p. 100. En moyenne, pendant
les priodes de vgtation active, il ne
dpasse pas 4 8 p. 100 (betterave, bl, par ex.) par rapport
lnergie lumineuse arrivant au sol pour les plantes de culture des
rgions tempres et 6 8 p. 100 pour
celles des rgions subtropicales ou tropicales (canne sucre, par
exemple).
Cependant et bien que les vgtaux, lexception des forts trs
touffues, soient loin dutiliser la totalit, voire la majeure partie
de la lumire qui parvient leur niveau, les quantits de carbone
fixes annuellement et les synthses de matires organiques sont
normes.
Les estimations fondes sur les rcoltes et la mesure de la
croissance des arbres
indiquent que les vgtaux terrestres accumuleraient annuellement
environ 50 milliards
de tonnes de carbone et les vgtaux marins environ 20 milliards
de tonnes,
correspondant au total un excdent de synthse de substances
organiques de 170
milliards de tonnes. Il y correspond un stockage dnergie de
lordre de 2,7 Z 108 kJ qui est environ 10 fois plus grand que la
consommation annuelle mondiale dnergie.
-
Il faut aussi se souvenir de lorigine vgtale du charbon, des
bitumes et ptroles pour estimer limportance de la photosynthse sa
juste valeur. On lui doit aussi la purification de lair par la
soustraction du dioxyde de carbone et le dgagement doxygne.
Il est probable que la totalit du carbone prsent sur la terre
comme celle de loxygne de lair et de leau sont passes de nombreuses
fois par le mcanisme photosynthtique (cf. BIOSPHRE et ).
Aussi comprend-on quactuellement nombre de chercheurs,
scientifiques ou conomistes estiment quun accroissement de la
photosynthse, ou une plus efficace utilisation de ses produits,
puisse contribuer la satisfaction des besoins nergtiques mondiaux.
Les
biotechnologies solaires sen proccupent activement.
Multiformes, encore en qute dtre compltement adoptes, elles
prtendent prolonger lagronomie classique (slection vgtale),
orienter partiellement la production vgtale (cultures nergtiques),
mieux tirer parti des dchets dorigine agricole (biogaz) ou
forestire (combustion).
Bien plus, elles visent exploiter le phnomne en conditions
semi-artificielles (cultures
dalgues pour la production de molcules haute valeur ajoute) ou
mme limiter pour le perfectionner (voie biomimtique): cet aspect du
sujet est examin dans larticle Biomasse in .
CHLOROPHYLLES Le nom de chlorophylle a t donn en 1818 par P. J.
Pelletier et J. B. Caventou aux
pigments verts des feuilles.
Trente ans plus tard environ, leur parent chimique avec les
pigments sanguins fut
souponne, puis la diversit des chlorophylles reconnue.
Au dbut du XXe sicle, commencrent les travaux qui en revlrent la
structure et
permirent den raliser la synthse en laboratoire.
Ces composs organiques lis au magnsium sont engags dans
diffrents complexes
lipoprotiques membranaires des chloroplastes des cellules
vgtales.
Les Bactries phototrophes possdent galement des chlorophylles
spcifiques
(bactriochlorophylles).
Ces pigments ralisent les premires tapes de la photosynthse,
cest--dire les tapes photochimiques. Aprs absorption de photons,
les molcules de chlorophylle sont
excites, avec transition lectronique, certains de leurs lectrons
tant expulss de leur
orbite.
-
Les tats excits, de courte dure de vie, peuvent donner lieu une
perte dlectrons nergiss, origine dun transfert oxydo-rducteur.
Plusieurs tats molculaires de la chlorophylle assurent ainsi
dune part la collecte nergtique de photons et dautre part la
rduction de transporteurs dlectrons.
Cette double fonction permet la transformation du bioxyde de
carbone et de leau en molcules organiques, cest--dire
photosynthse.
Leur rle de sensibilisateurs de ractions enzymatiques lnergie
lumineuse fut longtemps traduit par lexpression dassimilation
chlorophyllienne, premier nom de la photosynthse.
1. Structure et proprits chimiques
Les chlorophylles sont les pigments verts des vgtaux capables de
photosynthse.
On en trouve galement dans diverses bactries qui utilisent aussi
lnergie lumineuse.
Les chlorophylles les plus communes sont les chlorophylles a et
b, prsentes dans les
chloroplastes des cellules de tous les vgtaux de couleur verte:
plantes fleurs,
fougres, mousses, algues vertes.
Les algues brunes (Fucus, Diatomes) possdent les chlorophylles a
et c, dautres algues brunes, les Xanthophyces, a et e. Les algues
rouges renferment a et d.
Ces diffrentes chlorophylles ne diffrent entre elles que par de
petits dtails de
structure. Seule la chlorophylle a est constante pour tous les
vgtaux. Parmi les
bactries phototrophes, lune, le Prochloron, possde les
chlorophylles a et b; les autres ont des bactriochlorophylles qui
leur sont propres.
Tous ces pigments ont une structure chimique semblable; tous
comprennent un mtal, le
magnsium.
Les feuilles renferment environ 1 g de chlorophylles pour 100 de
substance sche, soit 1
2 pour 1000 de substance frache.
Elles ont deux fois plus de a que de b. Les chlorophylles sont
responsables dune partie importante, souvent majeure, de
labsorption de la lumire par les vgtaux.
Pure, la chlorophylle a se prsente en aiguilles cristallines
bleu sombre, sa formule brute
est C55H72O5N4Mg.
La chlorophylle b est vert fonc.
Les molcules des chlorophylles ont une masse molculaire voisine
de 900.
-
Elles sont toutes formes de quatre noyaux pyrrole I, II, III, IV
lis entre eux .
Un cycle cyclopentanone (V) est accroch au noyau pyrrole III.
Toutes les molcules
contiennent encore un groupe driv du mthanol et un groupe driv
dun alcool vingt atomes de carbone, le phytol.
Ce sont des esters de mthanol et de phytol. Aprs libration de
ces deux alcools par
hydrolyse alcaline, il reste lensemble ttrapyrrolique li au
magnsium, ou chlorophylline. Une enzyme prsente dans les cellules
vgtales, la chlorophyllase,
catalyse le dcrochement du seul phytol et laisse une
chlorophyllide, tape galement de
la synthse des chlorophylles.
Enfin, laction des acides dcroche le magnsium et les composs
bruns obtenus sont des phophytines.
Les noyaux pyrroliques possdent de courtes chanes latrales,
vestiges du mcanisme de
leur formation.
Les chlorophylles b, c, d, e et la bactriochlorophylle ne
diffrent de la chlorophylle a
que par la nature de ces courtes chanes; ainsi, la chlorophylle
b possde un groupe CHO sur le noyau pyrrole, la place dun CH3.
De telles diffrences en entranent aussi dimportantes dans les
spectres dabsorption de la lumire .
Lensemble ttrapyrrolique de la molcule est plan: il a environ
1,5 nm de ct et son paisseur est un peu infrieure 0,4 nm.
Il forme ce que lon appelle parfois la tte de la molcule; le
phytol en est la queue, dune longueur de 1,5 nm.
Lensemble ttrapyrrolique est riche en groupes polaires azots ou
oxygns qui lui confrent une grande affinit pour leau.
Les chlorophylles sont solubles dans les solvants des lipides
tels que les alcools, lther ordinaire, lther de ptrole,
lactone.
La technique de la chromatographie, si employe maintenant dans
la sparation et la
purification des substances chimiques, a pour origine la
sparation des chlorophylles a
et b des feuilles.
Elle fut ralise en 1906 par le botaniste M. S. Tswett; aprs
avoir vers une solution des
pigments des feuilles sur une colonne de carbonate, il constata
que les chlorophylles et
les carotnodes se sparaient les uns des autres, tant entrans par
le solvant des
vitesses diffrentes.
Les chlorophylles et les autres pigments foliaires se sparent
aisment par
chromatographie des extraits, soit sur papier, soit sur colonne
de cellulose. Cest au phytol (C20H39OH) que les chlorophylles
doivent leur solubilit dans les solvants
organiques.
-
Les chlorophylles se dcolorent par oxydation. Avec les sels
ferriques, loxydation est rversible et les oxychlorophylles formes
peuvent tre rduites et rgnrer les
chlorophylles. Mais les oxydants nergiques provoquent une
dcoloration irrversible.
Il en est de mme de la lumire intense, agent dune
photo-oxydation qui peut aboutir la dcoloration complte des
feuilles (solarisation).
On a attribu aussi aux chlorophylles des proprits dsodorisantes
dues sans doute ce
quelles fixent diffrentes substances et les soustraient
lodorat.
Il faut galement souligner la parent chimique entre la
chlorophylle,
lhmochromogne (ou hme de lhmoglobine) et lhmatine qui en
drive.
Il sagit toujours de molcules quatre noyaux pyrroliques.
Mais dans lhme, ces noyaux sont lis un atome de fer et il ny a
pas de groupes phytol et mthanol.
Les pigments bleus et rouges des algues bleues et des algues
rouges sont des protines,
les phycocyanines et phycorythrines.
Ils doivent leur couleur des composs, ou chromophores, galement
ttrapyrroliques.
Les noyaux pyrrole y sont unis entre eux, mais ne forment pas un
ensemble ferm sur
lui-mme.
Ils ne sont pas lis un mtal. Par leur structure, ces
chromophores sont trs voisins des
pigments biliaires.
2. Proprits optiques
La richesse des molcules de chlorophylles en doubles liaisons
conjugues entre les
atomes de carbone et dazote, doubles liaisons spares par une
seule liaison simple ( = C _ C = ou = C _ N = ), leur communique
une intense coloration.
En solution dans lther, lactone ou le mthanol, la chlorophylle a
est bleu-vert alors que la chlorophylle b est vert-jaune.
Ces pigments possdent deux bandes dabsorption intense.
Lune concerne les radiations bleues (420-480 nm, ), elle est
commune tous les pigments ttrapyrroliques (bande de Soret); lautre
se situe dans la partie rouge du spectre (640-680 nm).
Leurs spectres montrent limportance de labsorption des
radiations visibles dans le bleu et le rouge .
Dans les chloroplastes o les chlorophylles sont concentres en
agrgats, on observe un
dcalage des maximums dabsorption vers les grandes longueurs
donde. Lagrgation
-
des molcules de chlorophylles entre elles et avec dautres
molcules, en complexes collodaux, saccompagne en effet dun
dplacement des maximums dabsorption de 10 15 nanomtres vers les
grandes longueurs donde.
Les solutions collodales aqueuses de chlorophylles prsentent un
dplacement du mme
ordre.
Une partie de la diffusion de la lumire par les cellules vgtales
est due un tel tat
dagrgation.
Quant aux bactriochlorophylles, leurs maximums dabsorption sont
situs dans le proche infrarouge. In vivo, ils se situent 800, 850,
890 nm, pour les bactries pourpres.
Les solutions de chlorophylles prsentent une belle fluorescence
rouge correspondant
une mission de radiations de plus grande longueur donde que
celle de la lumire absorbe. Cette fluorescence est diminue par
laddition de quinone qui joue le rle dextincteur (quencher).
Les monocouches de molcules de chlorophylles juxtaposes,
obtenues partir de
solutions inertes convenablement tales et dont le solvant a t
vapor, ne sont pas
fluorescentes tandis que les chlorophylles in vivo le sont.
On ne peut donc assimiler leur tat biologique celui de
monocouches amorphes.
3. Synthse, biogense
La synthse de la chlorophylle a a t compltement ralise in vitro
en 1960 par R.
B. Woodward et son quipe Harvard, en plusieurs tapes.
Le principe de la mthode comprend la synthse des noyaux pyrrole,
leur accrochage
entre eux, leur rduction partielle, laddition progressive des
chanes latrales, des plus courtes aux plus longues.
Mais les moyens emprunts la chimie organique de synthse sont trs
diffrents du
mcanisme de la biogense.
Ce dernier, pour la synthse du pyrrole, utilise des mtabolites
banaux: lacide succinique, compos intermdiaire du mtabolisme
respiratoire, et un acide amin, le
glycocolle. Leur condensation en acide d-aminolvulinique et la
condensation de deux
molcules de ce dernier donne un noyau pyrrole dj muni de ses
chanes latrales, ou
porphobilinogne .
Les chanes facilitent la liaison des quatre noyaux
(protoporphyrine).
Linsertion du magnsium conduit une mtalloporphyrine.
Lestrification de mthanol, la cyclisation du noyau
cyclopentanone, donnent naissance une protochlorophyllide.
-
Une rduction, par fixation de deux atomes dhydrogne en 7 et 8 du
noyau IV, demande gnralement lintervention de la lumire et aboutit
la chlorophyllide a. Lestrification du phytol termine la
synthse.
Dans les plantes tioles, la fixation du phytol prcde la
rduction, aussi y trouve-t-on
de la protochlorophylle a, qui, aprs un clairement, se rduit en
chlorophylle a. La
formation de chlorophylle b est toujours secondaire, elle drive
de la a. Toutes les tapes
de la synthse sont enzymatiques.
4. tat des chlorophylles in vivo
Les chlorophylles sont localises dans les membranes internes des
chloroplastes des
cellules vgtales.
Ces membranes forment des sortes de sacs (thylacodes) la cohsion
desquels les
chlorophylles participent.
Les bactriochlorophylles des Bactries phototrophes sont
incorpores dans les
membranes des vsicules des cellules bactriennes.
Alors que la dispersion des molcules de chlorophylles dans un
solvant confre leurs
solutions une rpartition molculaire homogne, le statut du
pigment in vivo est
beaucoup plus compliqu et trs htrogne.
On appelle holochrome ltat biologique du pigment.
On peut distinguer, daprs leurs maximums dabsorption de la
lumire dans le rouge, diffrents holochromes absorbant, par exemple,
essentiellement 673 ou 685 ou 700 nm.
Il est vraisemblable que chacun deux est form par un complexe
lipoprotine-pigment diffrent.
Des molcules de chlorophylles identiques entre elles dans leur
structure peuvent donc
tre topochimiquement distinctes.
Dautres sont associes par deux, en dimres.
Non seulement les chlorophylles sont concentres dans des
organites cellulaires
spcialiss, les chloroplastes, mais, de plus, on ne les trouve
que dans des structures
membranaires situes lintrieur de ces organites.
La formation de ces structures membranaires est en partie
conditionne par la
biosynthse des chlorophylles.
Les plastes des plantes dveloppes lobscurit (tioles) sont
pauvres en membranes et trs pauvres en pigments
chlorophylliens.
Si on claire les plantes tioles, le dveloppement des structures
membranaires des
plastes va de pair avec lactive synthse de chlorophylles.
-
On peut penser que les molcules de chlorophylles, par leur ple
hydrophobe (chane
phytol), plongent dans les couches lipidiques des membranes,
tandis que, par leur ple
hydrophile (groupe ttrapyrrolique), elles saccrochent aux
protines elles-mmes hydrophiles. Elles pourraient ainsi servir de
ciment.
Il est vraisemblable quune fraction des molcules de
chlorophylles est plus lchement lie que lautre aux constituants
membranaires.
Elle est plus aisment extraite par les solvants organiques et
est constitue de molcules
de formation rcente.
Ce fait se dcle quand on provoque le marquage des pigments par
loffre aux organismes de 14CO2 au carbone radioactif: les molcules
de pigments synthtiss
ensuite la lumire renferment du carbone 14C, alors que celles
qui prcdaient loffre nen renferment pas.
Lextraction progressive des chlorophylles, par contact des
feuilles avec les solvants pendant des dures croissantes, montre
que les fractions les plus rapidement extraites
sont les plus radioactives, donc les plus riches en molcules
frachement synthtises en
prsence du radiocarbone.
5. Excitation photochimique des
chlorophylles et photosynthse
La photosynthse se caractrise matriellement par un transfert
dlectrons et de protons de leau au bioxyde de carbone qui se trouve
rduit avec formation de glucides . Cette opration requiert de
lnergie et, dans les meilleures conditions, il faut 8
photons-grammes (8 einsteins) par molcule-gramme de bioxyde de
carbone rduit, soit
lquivalent denviron 1 460 2 300 kilojoules, selon la longueur
donde de la lumire.
Lexcitation des molcules de chlorophylle par les photons peut
provoquer plusieurs phnomnes selon la stabilit des lectrons
concerns et la longueur donde de la lumire absorbe. Seuls les
lectrons p, faiblement lis au squelette molculaire, sont excits
par
les radiations visibles.
Diffrents tats ou niveaux nergtiques de la chlorophylle, ou
excitons, ont pu tre
caractriss, soit dans les organismes eux-mmes, soit dans des
cristaux de chlorophylle,
par ltude des spectres basse temprature, de la polarisation, de
la fluorescence, du spectre de diffusion Raman de rsonance des
diffrentes formes pigmentaires. Leur
formation et leurs transformations sont extrmement rapides.
Ainsi un lectron peut tre expuls de son orbite, la molcule ayant
subi une transition
entre son tat lectronique fondamental stable et un tat excit.
Pour la chlorophylle, il
existe deux niveaux nergtiques correspondant labsorption de
photons dans le bleu-violet, dune part, et deux correspondant
labsorption dans le rouge, dautre part. Chaque transition
lectronique est caractrise par son nergie E, fonction de la
frquence n de la radiation dexcitation (E = hn; h : constante de
Planck, et n = c/l; c : vitesse de la lumire; l: longueur
donde).
-
Le passage de la molcule de son tat stable ltat excit C* est
ralis dans un temps trs court, correspondant la priode de vibration
de la lumire, soit de 10-14 10-
15 seconde. Or un lectron appartient toujours une paire; les
moments angulaires de
spin des deux lectrons dune paire peuvent rester antiparallles,
ce qui dfinit ltat singulet. La dure de vie dune molcule excite par
des photons violets qui, dans le visible, permettent datteindre
ltat nergtique le plus lev, est infrieure 5 . 10-12 seconde.
Dans le cas dexcitation par la lumire rouge, moins nergtique,
ltat atteint a une dure de vie plus longue, de 1 5 . 10-9
seconde.
La molcule ltat singulet le plus lev peut se convertir en ltat
le plus bas en 10-15 seconde, avec mission de chaleur: C*v X C*r +
chaleur.
Ltat nergtique le plus bas C*r peut retourner ltat fondamental,
avec mission de lumire rouge, origine de la fluorescence rouge de
la chlorophylle in vivo et in vitro, et
de chaleur.
Les tats excits peuvent aussi transfrer leur nergie des molcules
voisines, soit par
collision, soit par rsonance.
Ces transferts ne sont efficaces que si les molcules sont trs
rapproches les unes des
autres, comme cest le cas in vivo o les molcules de chlorophylle
sont concentres dans les membranes des chloroplastes.
Enfin, ces tats excits singulets peuvent se transformer en un
autre tat nergtique,
ltat triplet, pour lequel les moments angulaires de spin sont
parallles. Ltat triplet a une dure de vie beaucoup plus longue, de
lordre de 1 . 10-3 seconde.
On le dit mtastable.
partir de cet tat, le retour ltat fondamental peut seffectuer
avec dgagement de chaleur ou par transfert dnergie une autre
molcule pigmente.
Un autre type de transformation possible a t galement mis en
vidence. Il sagit dune oxydo-rduction dans laquelle intervient une
sparation de charge, un lectron quittant
la molcule de chlorophylle qui se trouve alors ionise, charge
positivement.
Elle peut ainsi intervenir dans une srie de transferts dlectrons
entre un donneur, lacide ascorbique par exemple, et un accepteur,
une quinone, selon la squence:
Ainsi, la rduction de la quinone par lascorbate, qui naurait pas
lieu spontanment en raison de son besoin nergtique, se
trouve-t-elle sensibilise lnergie lumineuse par la chlorophylle
excite, pont lectronique entre lnergie lectromagntique de la lumire
et lnergie chimique.
Dautres donneurs dlectrons et dautres accepteurs peuvent tre
ainsi mis en relation et ce modle simple constitue une image
schmatique du processus doxydo-rduction des transporteurs dlectrons
par leau, au cours de la photosynthse. In vivo, un dimre de
chlorophylle, dont le maximum dabsorption dans la lumire rouge est
700 nm et
-
appel pour cette raison P700, est ainsi capable, aprs
clairement, dassurer la rduction dun transporteur biologique, le
nicotinamide-dinuclotide phosphate qui se charge dlectrons +
protons.
Ce dimre ne reprsente quenviron un pour cent des molcules
totales de chlorophylle prsentes.
Un autre dimre de chlorophylle, P682, intervient galement dans
les transferts
dlectrons qui prennent leur origine dans les ions OH- venant de
la dissociation de leau.
Ces deux dimres de chlorophylle appartiennent aux centres
actifs, fonctionnels, des
deux photosystmes de la photosynthse [cf.
PHOTOSYNTHSE].
ct de ces centres actifs, et pouvant en tre spars par voie
danalyse chimique, par lectrophorse, en raison de leur couplage
avec des protines, la majeure partie des
molcules de chlorophylle a ainsi que la chlorophylle b chez les
vgtaux verts, une
partie des carotnodes, dont le fucoxanthol des algues brunes, et
enfin les pigments
rouges (phycorythrines) et bleus (phycocyanines) des algues
rouges et des
cyanobactries constituent une antenne collectrice de photons.
Dans cette antenne, les
transferts dexcitons par rsonance apparaissent de rgle.
Ces transferts sont dmontrs par la possibilit de provoquer la
fluorescence de la
chlorophylle a, dans un mlange des pigments cits, avec de la
lumire absorbe dune manire exclusive par ces autres pigments. Les
rendements de transfert sont de lordre de 90 p. 100.
La pluralit pigmentaire tend la gamme des longueurs donde de la
lumire pouvant tre absorbe.
Les transferts en canalisent lnergie vers les centres actifs o
dbute le cheminement des transferts dlectrons gnrateurs de la
rduction du bioxyde de carbone en molcules organiques.
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