L'Anabolisme et la Photosynthèse : Processus et Structures

Définition de l'Anabolisme

L'Anabolisme autotrophe est le passage de molécules inorganiques simples à des molécules organiques complexes comme le glucose ou la glycérine. L'Anabolisme hétérotrophe est la transformation de molécules organiques simples en d'autres plus complexes, comme l'amidon.

Types d'Anabolisme Autotrophe selon la Source d'Énergie

On peut distinguer deux types d'anabolisme autotrophe en termes de source d'énergie utilisée :

• Anabolisme photosynthétique : Utilise l'énergie lumineuse. La photosynthèse est réalisée par les plantes, les algues, les bactéries photosynthétiques et les cyanobactéries.
• Anabolisme chimiosynthétique : Utilise l'énergie des réactions d'oxydation de composés inorganiques. Ce processus est réalisé uniquement par certains types de bactéries, appelées bactéries chimiosynthétiques.

La Photosynthèse : Conversion de l'Énergie Lumineuse

La photosynthèse est le processus de conversion de l'énergie lumineuse du soleil en énergie chimique, qui est stockée dans des molécules organiques. Elle est rendue possible par des molécules spéciales, les pigments photosynthétiques, qui sont capables de capter l'énergie lumineuse et de l'utiliser pour activer un transfert d'électrons et d'atomes.

Types de Photosynthèse

On distingue deux voies de transfert d'électrons :

• Photosynthèse oxygénique : Les électrons sont obtenus à partir d'une molécule d'eau. L'oxygène produit est libéré dans l'environnement. Ce type de photosynthèse est réalisé par les plantes et les algues.
• Photosynthèse anoxygénique : Du soufre précipité est formé. Ce processus est typique des bactéries pourpres et vertes sulfureuses qui vivent dans les eaux. C'est la photosynthèse la plus simple et la plus ancienne.

Structures Photosynthétiques

Dans les cellules végétales et d'algues, la photosynthèse a lieu dans des organites membraneux appelés chloroplastes. Les pigments photosynthétiques se trouvent dans les thylakoïdes, des saccules situés dans le stroma.

Les cyanobactéries n'ont pas de chloroplastes ; les thylakoïdes sont dispersés dans leur cytoplasme avec les pigments photosynthétiques. Les bactéries de la photosynthèse anoxygénique n'ont ni chloroplastes ni thylakoïdes, mais des organites membranaires appelés chlorosomes.

Pigments Photosynthétiques

Les pigments photosynthétiques sont des molécules lipidiques fixées à des protéines dans les membranes des thylakoïdes. Chez les plantes, on trouve la chlorophylle et les caroténoïdes ; chez les bactéries, la bactériochlorophylle.

La Chlorophylle

La Chlorophylle se compose d'un anneau de porphyrine avec un atome de magnésium en son centre et d'une longue chaîne d'alcool appelée phytol. Il existe deux types principaux : la chlorophylle a et la chlorophylle b.

Les Caroténoïdes

Les caroténoïdes sont des isoprénoïdes qui absorbent la lumière à 440 nm. Ils peuvent être de deux types : les carotènes (rouges) et les xanthophylles (jaunâtres).

Le Photosystème

Le photosystème est un complexe de protéines transmembranaires qui contiennent et forment les pigments photosynthétiques. Il est composé de deux sous-unités fonctionnelles :

1. Complexes collecteurs de lumière (LHC) : Cette structure contient des molécules de pigment photosynthétique qui captent l'énergie lumineuse. Elles sont excitées et transmettent l'énergie d'excitation de molécule en molécule jusqu'au centre réactionnel.
2. Centre réactionnel : Il contient deux molécules d'un pigment spécial appelé chlorophylle a. En recevant l'énergie captée par les pigments, cette chlorophylle transfère ses électrons à une première molécule appelée accepteur d'électrons primaire, qui les transfère à son tour à une autre molécule ultérieure.

Dans la photosynthèse, deux photosystèmes différents sont impliqués :

• Photosystème I (PSI) : Le pigment cible capte la lumière de longueur d'onde la plus courte (λ = 700 nm), appelé chlorophylle P700. Il est abondant dans le stroma et les thylakoïdes et ne peut pas oxyder l'eau pour libérer des électrons.
• Photosystème II (PSII) : La molécule centrale a un pigment qui capte la lumière de longueur d'onde de 680 nm ou moins, appelé chlorophylle P680. Il est plus abondant dans les thylakoïdes empilés formant les grana et peut oxyder les molécules d'eau pour libérer des électrons.

La Phase Claire de la Photosynthèse

La phase claire (ou photochimique) survient dans les thylakoïdes. À ce stade, l'énergie lumineuse est captée et génère de l'ATP et des nucléotides réduits (NADPH + H+). Ce processus utilise la chaîne de transport d'électrons et l'ATP synthase.

Transport Acyclique des Électrons

L'étape acyclique comprend trois processus : la photolyse de l'eau, la photophosphorylation de l'ADP et la photoréduction du NADP+. Sous l'influence de la lumière sur le photosystème II, le pigment de chlorophylle P680 est excité et transfère les électrons à l'accepteur d'électrons primaire. Pour remplacer les deux électrons perdus par la chlorophylle P680, l'hydrolyse de l'eau produit des protons qui sont introduits à l'intérieur des thylakoïdes.

Pour chaque électron entrant, quatre protons sont pompés : deux provenant de l'hydrolyse de l'eau et deux autres entraînés par la chaîne de transport d'électrons. Cela établit une différence de potentiel électrochimique (gradient de protons) entre les deux côtés de la membrane des thylakoïdes. Ce gradient permet aux protons de sortir par l'ATP synthase, provoquant la synthèse d'ATP (trois protons sont nécessaires pour synthétiser une molécule d'ATP).

Phase Claire Cyclique

Le seul processus qui se produit est la photophosphorylation de l'ADP. Seul le photosystème I est impliqué. Il génère un flux d'électrons cyclique qui fait que les protons s'introduisent à l'intérieur des thylakoïdes. Le gradient électrochimique est utilisé pour la synthèse d'ATP. Comme le photosystème II n'intervient pas, il n'y a ni photolyse de l'eau, ni libération d'oxygène, ni production de NADPH.

Bilan de la Phase Claire Photosynthétique

Le NADP+ est réduit pendant la phase claire acyclique, nécessitant deux électrons et deux protons provenant de la photolyse d'une molécule d'eau. La phase cyclique ne produit que de l'ATP.

La Phase Sombre de la Photosynthèse

La phase sombre (ou cycle de Calvin) a lieu dans le stroma des chloroplastes. À ce stade, l'ATP et les nucléotides réduits obtenus lors de la phase claire sont utilisés pour synthétiser des molécules organiques.

L'équation globale de la photosynthèse est :

6CO₂ + 12H₂O + Énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Dans la phase sombre, l'ATP et le NADPH, obtenus dans la phase claire, sont utilisés pour synthétiser une substance organique à partir de substances inorganiques.