Photosynthèse : conversion d'énergie et synthèse organique

Introduction

Introduction : Les végétaux chlorophylliens sont autotrophes grâce à la photosynthèse qu'ils réalisent dans les chloroplastes. La photosynthèse comprend deux phases : la phase photochimique, qui se déroule obligatoirement en présence de lumière, et la phase non photochimique au cours de laquelle s'effectue l'incorporation du dioxyde de carbone. Cette phase permet, ainsi, la synthèse de glucides. On se propose d'expliquer par quels processus une plante peut produire des molécules organiques à partir de matière minérale. Une première partie présentera comment la plante convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique puis, dans une seconde partie, on évoquera comment, grâce à cette énergie chimique, elle synthétise des molécules organiques.

Phase photochimique : conversion de l'énergie lumineuse

Le bilan des transformations de la matière minérale en matière organique au cours de la photosynthèse, qui se fait dans les feuilles, peut se résumer à l'équation chimique suivante : 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. Au cours de la photosynthèse, il y a donc consommation de dioxyde de carbone et d'eau et production de glucose et de dioxygène. Cette réaction ne se déroule qu'en présence de lumière. Des expériences menées avec des végétaux chlorophylliens et au cours desquelles on mesure la concentration en dioxygène dans le milieu montrent, en effet, qu'en absence de lumière la concentration en dioxygène n'augmente pas, alors qu'elle augmente en présence de lumière. On en déduit que la lumière est indispensable à la production de dioxygène par la plante.

D'où provient le dioxygène produit ? L'utilisation d'un isotope de l'oxygène, 18O, incorporé dans les molécules d'eau consommées par un végétal, montre que cet oxygène se retrouve dans le dioxygène rejeté. On en déduit que c'est l'eau consommée par le végétal qui fournit le O2 : ce processus est appelé photolyse de l'eau. Elle correspond à une oxydation de l'eau (l'eau perd des électrons mais aussi des protons H+). La production de dioxygène ne s'effectue qu'en présence de lumière.

Comment le végétal utilise-t-il la lumière ? L'énergie lumineuse est captée par les pigments chlorophylliens. Ces pigments absorbent certaines radiations plus que d'autres : on parle de « spectre d'absorption des pigments ». Les radiations lumineuses absorbées par les pigments chlorophylliens sont les radiations les plus efficaces ; ce sont celles avec lesquelles l'activité photosynthétique est importante.

L'absorption d'énergie lumineuse déclenche une succession de réactions d'oxydo-réductions dont la photolyse de l'eau. Ces réactions libèrent, à leur tour, de l'énergie qui servira à la synthèse d'une molécule, l'ATP. Il y a donc conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique au cours de la première phase de la photosynthèse. La phase photochimique se déroule plus précisément dans les thylakoïdes des chloroplastes. Ainsi, au cours de la phase photochimique, la consommation d'eau permet la production de dioxygène et il y a synthèse d'ATP.

Pendant cette phase, le CO2 n'intervient pas et il n'y a pas synthèse de glucose. Quel est le lien entre la phase photochimique, étape de conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique, et la synthèse de molécules organiques ?

Phase non photochimique : consommation du CO2 et synthèse

Que devient le CO2 consommé ? Un marquage radioactif du carbone du CO2 montre que ce carbone se retrouve dans les molécules de glucose : il y a donc incorporation du CO2.

Le carbone du dioxyde de carbone se trouve incorporé dans une molécule organique, le glucose. Le carbone minéral du CO2 passe à l'état de carbone organique engagé dans une liaison avec de l'hydrogène ; le CO2 subit une réduction (il gagne des électrons mais aussi des protons H+). L'incorporation du carbone se déroule au cours d'une succession de réactions biochimiques dont l'ensemble constitue le cycle de Calvin. Cette phase se déroule dans le stroma des chloroplastes.

Quelle est la source d'énergie nécessaire à la synthèse de glucose ? L'ATP formé grâce à la phase photochimique fournit l'énergie nécessaire aux réactions qui se déroulent lors de la phase non photochimique. C'est, en effet, l'hydrolyse de l'ATP, réaction produisant de l'ADP et un groupement phosphate, qui libère l'énergie nécessaire aux réactions de la phase non photochimique.

Comment sont produits les autres molécules organiques ? Ce sont, à nouveau, des expériences de marquage radioactif du carbone qui montrent que le carbone du glucose se retrouve ensuite dans différentes molécules organiques : l'amidon (polymère du glucose), le saccharose (glucide) mais aussi dans les molécules précurseuses des lipides, dans les acides aminés à partir desquels la cellule effectue la synthèse de protéines. Pour synthétiser toutes les molécules organiques, la plante a besoin de s'approvisionner en éléments chimiques comme l'azote (N), le phosphore (P) ou le soufre (S). C'est le système racinaire qui assure l'approvisionnement en sels minéraux ainsi qu'en eau. Ces ions minéraux circulent dans la plante par la sève brute.

Conclusion

La photosynthèse assure la capture de l'énergie lumineuse par la cellule chlorophyllienne (phase photochimique). Cette énergie est convertie en énergie chimique qui va permettre la synthèse de glucose (phase non photochimique). Ces réactions se déroulent dans les chloroplastes. Le végétal produit ensuite divers composés organiques en utilisant les premières molécules organiques produites et des substances minérales apportées par la sève brute.